近二十年來，機(jī)器學(xué)習(xí)方法的發(fā)展為我們的生活帶來了許多便利。智能網(wǎng)絡(luò)搜索、語音識別，乃至無人超市、無人駕駛汽車等，依托于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的新事物正迅速地在我們的生活中普及。Alpha Go的橫空出世更是讓世界驚嘆于人工智能的潛在價(jià)值。在科研領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)的理念正在改變著科研人員對未知世界的探索模式。美國在2011年提出了材料基因組計(jì)劃（Materials Genome Initiative），以期加快材料的研發(fā)進(jìn)程。在我國懷柔科學(xué)城的發(fā)展規(guī)劃中，重點(diǎn)平臺項(xiàng)目“材料基因組研究平臺”現(xiàn)已全面開工，高通量實(shí)驗(yàn)+高性能計(jì)算+深度數(shù)據(jù)分析的研究模式已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的趨勢。

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在非晶合金研究領(lǐng)域，如何設(shè)計(jì)并開發(fā)具有良好玻璃形成能力的合金，一直是一個(gè)具有重要產(chǎn)業(yè)價(jià)值的基礎(chǔ)科學(xué)問題。過去，受到經(jīng)驗(yàn)性判據(jù)的準(zhǔn)確性和通用性的限制，新型高性能非晶合金材料的研發(fā)進(jìn)程非常緩慢。如何提高材料設(shè)計(jì)的效率，尋找具有更優(yōu)性能的材料，是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題。

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最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）汪衛(wèi)華研究組（EX4組）博士研究生孫奕韜在汪衛(wèi)華研究員、白海洋研究員的指導(dǎo)下，與人民大學(xué)物理系李茂枝教授合作，采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，對影響二元合金玻璃形成能力的諸多因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，建立了合金成分與性能之間的關(guān)聯(lián)，并對可能的新材料進(jìn)行了預(yù)測。研究過程中使用到了支持向量機(jī)（Support Vector Machine）這種方法（圖1），通過構(gòu)建多維空間，并在這個(gè)多維空間內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，從而建立輸入?yún)⒘颗c輸出參量之間的關(guān)聯(lián)。

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圖1. 支持向量機(jī)方法的基本過程，包括四個(gè)主要部分：數(shù)據(jù)庫的建立，模型的訓(xùn)練，模型的評估，以及最優(yōu)模型的預(yù)測。

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在該研究方法下，通過不斷選擇新的參數(shù)對模型進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練，探討了合金的不同性質(zhì)對其玻璃形成能力的影響（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，參量ΔTliq（表征合金過冷能力）與合金的玻璃形成能力有最為顯著的關(guān)聯(lián)，而且在使用參量ΔTliq與Tfic（表征合金熱穩(wěn)定性）作為輸入?yún)?shù)時(shí)，可以得到具有最佳預(yù)測效率的模型。通過對最佳模型的分析，可以看到已發(fā)現(xiàn)的具有良好玻璃形成能力的二元合金，其分布與模型的預(yù)測值具有很好的一致性（圖3）。使用這個(gè)模型，可以對未知的合金成分進(jìn)行預(yù)測，這樣由深度數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，能夠極大地縮短新材料的研發(fā)周期（圖4）。

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圖2. 不同的輸入?yún)?shù)得到的模型的預(yù)測結(jié)果

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圖3. 最優(yōu)模型的預(yù)測結(jié)果。已發(fā)現(xiàn)的優(yōu)秀材料與模型預(yù)測（紅色區(qū)域）有很好的一致性

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圖4. 最優(yōu)模型預(yù)測得到最佳玻璃形成能力的合金體系的成分云圖

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該結(jié)果表明，機(jī)器學(xué)習(xí)的方法在材料設(shè)計(jì)與研發(fā)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。在更全面、完善的數(shù)據(jù)庫，更深入的人工智能算法支撐下，機(jī)器學(xué)習(xí)方法能夠?yàn)榭蒲腥藛T提供更準(zhǔn)確的信息，加速材料的研發(fā)過程。

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該工作作為使用新的工具對經(jīng)典問題進(jìn)行分析的一種嘗試，得到了初步成果。這項(xiàng)研究結(jié)果最近發(fā)表在J. Phys. Chem. Lett. 上。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51571209，51631003，51461165101）、973項(xiàng)目（2015CB856800）和中科院前沿科學(xué)關(guān)鍵研究項(xiàng)目（QYZDY-SSW-JSC017）的支持。

該論文作者為：Y. T. Sun, H. Y. Bai, M. Z. Li, W. H. Wang

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