人類物質(zhì)文明的歷史，其實(shí)就是一部材料的進(jìn)化史。材料作為人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，對人類社會發(fā)展起著先導(dǎo)作用?！靶虏牧系耐黄?，是解決當(dāng)前眾多重大社會困境的關(guān)鍵?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心主任羅毅表示，從可再生能源、綠色化工和環(huán)境保護(hù)，到潔凈水、食品革命和新藥設(shè)計，再到智能生活和交通，都需要材料科學(xué)革命性的突破來推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。近年來，中科大和安徽省在新材料領(lǐng)域取得多項突破。

大數(shù)據(jù)催生新思維

“科學(xué)研究在‘范式轉(zhuǎn)換’中不斷向前邁進(jìn)，每一次科技創(chuàng)新范式的突破都呈現(xiàn)出巨大的能量和優(yōu)勢，不斷顛覆人類的認(rèn)知方式和生活方式，不斷刷新我們解釋世界和認(rèn)識事物的觀念和工具?！敝锌拼箝L三角科技戰(zhàn)略前沿研究中心主任陳曉劍表示，在當(dāng)下，材料科學(xué)、大數(shù)據(jù)與人工智能、生命科學(xué)、綠色能源等已經(jīng)成為沒有天花板的黃金學(xué)科。由科學(xué)家所主導(dǎo)的跨學(xué)科交叉融合就體現(xiàn)了創(chuàng)新范式的突破，相信這樣的由科學(xué)驅(qū)動的黃金學(xué)科和技術(shù)應(yīng)用一定會走得更遠(yuǎn)。

近年來，利用人工智能進(jìn)行材料設(shè)計的成果大量涌現(xiàn)，以材料基因大數(shù)據(jù)驅(qū)動的新材料研發(fā)模式，正在成為行業(yè)研究者的共識。作為產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)，新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到下游應(yīng)用場景的極大制約。5G、智能制造、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等快速發(fā)展，對材料行業(yè)提出新要求，也帶來新機(jī)遇。目前，歐洲新材料產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展水平較高，擁有一批如拜耳、默克、巴斯夫等優(yōu)質(zhì)新材料跨國企業(yè)，日本則在重點(diǎn)開發(fā)納米玻璃、納米金屬、納米涂層等用于信息通信、新能源、生物技術(shù)和醫(yī)療領(lǐng)域的新材料。

“大數(shù)據(jù)發(fā)展和應(yīng)用在化學(xué)材料科學(xué)研究上的優(yōu)勢極為明顯，依賴于數(shù)據(jù)訓(xùn)練集的人工智能可以從海量數(shù)據(jù)中尋找‘隱藏’的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而大幅度提高處理復(fù)雜過程及實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)的能力?！盡ukamel表示，大數(shù)據(jù)涌現(xiàn)帶來的信息風(fēng)暴為我們提供了一種全新的思維模式，數(shù)據(jù)不僅僅是存儲的堆積，更重要的是，它已經(jīng)成為科學(xué)研究的基礎(chǔ)和有利工具。通過對數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行思考和設(shè)計，進(jìn)而基于海量數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來解決科學(xué)問題，將會形成基于大數(shù)據(jù)和人工智能驅(qū)動創(chuàng)新和發(fā)展的研究新范式。

材料研發(fā)長期沿用基于經(jīng)驗的“試錯”模式，效率低下、成本過高，弊端明顯。羅毅介紹，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)的積累和人工智能算法的逐步成熟，以數(shù)據(jù)驅(qū)動的創(chuàng)新研究手段，已成為繼實(shí)驗、理論和模擬之后的第四種研究范式，這也正在成為新材料研發(fā)的必然選擇?！叭斯ぶ悄艿暮侠響?yīng)用，可以幫助我們建立不同層面信息的關(guān)聯(lián)，跨越材料宏觀性能與微觀特征的鴻溝，直接提供應(yīng)用需求與材料化學(xué)結(jié)構(gòu)信息之間的對應(yīng)關(guān)系，大大加速新材料的預(yù)測和開發(fā)?！?/span>

基因庫提供新線索

140年前，愛迪生成功研制出以碳化纖維為燈絲的白熾燈泡。為尋找合適的燈絲，他曾對1600多種耐熱材料及6000多種植物纖維進(jìn)行實(shí)驗。然而，這種材料研發(fā)的“試錯”模式，極其耗費(fèi)資源和成本，難以滿足新時代對新材料的迫切需求。

“以材料基因大數(shù)據(jù)驅(qū)動的新材料研發(fā)模式，成為未來材料研發(fā)的新范式?！敝锌拼笪⒊叨任镔|(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員、合肥機(jī)數(shù)科技有限公司副總經(jīng)理李鑫說，從理論的角度出發(fā)，結(jié)合大數(shù)據(jù)人工智能分析，可以大幅提高新材料的研發(fā)效率、降低研發(fā)成本。2011年，美國啟動材料基因計劃。2012年，中國工程院提出中國版材料基因計劃。由中科大科學(xué)家創(chuàng)立的機(jī)數(shù)科技，正是在這一大背景下應(yīng)運(yùn)而生。

“我們建立了強(qiáng)大的材料基因庫，掌握了8000萬個分子材料數(shù)據(jù)，可以為新材料的設(shè)計和開發(fā)提供更高效的研發(fā)工具?！崩铞瓮嘎?，機(jī)數(shù)科技率先建立材料基因創(chuàng)新研究平臺，設(shè)計了國內(nèi)第一個材料知識圖譜，建成國內(nèi)最大的材料數(shù)據(jù)庫，其中包含化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫、催化數(shù)據(jù)庫、合金數(shù)據(jù)庫等國內(nèi)獨(dú)有的數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)積累的同時不斷創(chuàng)新研發(fā)新材料，解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展核心問題。目前，該公司已為甕福集團(tuán)、振華電子、某飛機(jī)集團(tuán)等企業(yè)提供材料數(shù)據(jù)咨詢及新材料定制服務(wù)，累計為合作企業(yè)節(jié)約成本近億元。

甕福集團(tuán)每年在浮選藥劑方面的研究和花費(fèi)高達(dá)上億元，機(jī)數(shù)科技利用量子化學(xué)模擬和人工智能分析等技術(shù)手段，為該集團(tuán)解決了磷礦生產(chǎn)工藝與藥劑設(shè)計問題，每年節(jié)約成本950萬元。某飛機(jī)集團(tuán)每年在渦輪部件記憶金屬材料的測試費(fèi)用高達(dá)8000萬元，機(jī)數(shù)科技與該集團(tuán)合作開展“組合發(fā)動機(jī)燃燒流場大渦模擬計算”項目，提出發(fā)動機(jī)用記憶金屬的優(yōu)選方案，幫助該集團(tuán)提前5個月完成項目，節(jié)約直接成本4300萬元。機(jī)數(shù)科技利用數(shù)據(jù)驅(qū)動新材料研發(fā)的新范式，提出新型相變智能窗材料的設(shè)計方案，中科大國家同步輻射實(shí)驗室鄒崇文研究組實(shí)驗驗證后發(fā)現(xiàn)，新材料超越了以往二氧化釩熱致變色和電致變色智能窗的實(shí)驗結(jié)果，甚至突破了傳統(tǒng)二氧化釩溫控智能窗紅外調(diào)控能力的理論極限，大大提高了基于二氧化釩的“智能窗”應(yīng)用可能性。

“未來，材料研發(fā)者可以像上谷歌、百度搜索信息一樣，在材料基因庫平臺上搜索各種材料的性質(zhì)和參數(shù)，也可以通過機(jī)數(shù)科技的材料工廠與全世界材料開發(fā)者合作定制新材料，這將是一個新材料開發(fā)的新時代，極大地促進(jìn)其他行業(yè)的飛速發(fā)展?！辟愔腔饎?chuàng)始合伙人梁立鵬說?！耙源髷?shù)據(jù)和人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的材料研究，是當(dāng)今世界新材料研發(fā)的制高點(diǎn)，需要化學(xué)、物理、材料與信息等學(xué)科的高度交叉與融合，需要一批立足科技前沿、知曉社會需求的高水平科技人員協(xié)同攻關(guān)?！绷_毅坦言。