人工智能對合成樹(shù)脂行業(yè)的影響
2024-07-11
信息技術(shù)為產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。正如300年前蒸汽機的發(fā)明啟蒙了現代工業(yè)，現在的數字化浪潮帶給了各行各業(yè)一種進(jìn)一步提升生產(chǎn)力的“新工具”。人工智能、大數據等技術(shù)不斷進(jìn)步，并且在圖像識別、語(yǔ)義分析、棋類(lèi)游戲等方面達到甚至超越了人類(lèi)。人工智能賦能各行各業(yè)，為產(chǎn)業(yè)、科研帶來(lái)了新機遇。
人工智能的興起，為有機合成和高分子合成領(lǐng)域帶來(lái)前所未有的革命性變化，正在逐步改變合成化學(xué)的研究和實(shí)踐方式。利用人工智能的算法和模型，合成化學(xué)家們能夠更加精確地預測分子的性質(zhì)，優(yōu)化多步逆合成路徑，深入理解單步轉化過(guò)程中的結構與性能關(guān)系，建立高分子結構與功能之間的定量關(guān)系，設計和優(yōu)化聚合過(guò)程，預測生物大分子的結構和序列，以及開(kāi)發(fā)自動(dòng)化和智能化的合成平臺等，不僅提高了合成化學(xué)的效率和精確度，也為解決復雜合成問(wèn)題提供了新的視角和方法。近年來(lái)，我國科學(xué)家在這一前沿領(lǐng)域取得了一系列具有國際影響力的突破性成果，為人工智能在有機與高分子合成中的應用和發(fā)展打下了堅實(shí)的基礎。
1材料科學(xué)和研發(fā)效率的提升
人工智能技術(shù)在材料科學(xué)領(lǐng)域的應用，特別是在合成樹(shù)脂行業(yè)，正在以前所未有的速度產(chǎn)生大量數據。每秒鐘，全世界用在物理、化學(xué)、材料領(lǐng)域的超級計算機算力高達～1017個(gè)雙精度浮點(diǎn)運算，生產(chǎn)約千萬(wàn)億字節（PB）級別的有效數據。這些數據通過(guò)高通量材料制備表征等新方法，可以通過(guò)一次制備過(guò)程獲得成百上千個(gè)材料組分，大幅提升材料科學(xué)研發(fā)的效率。合理的采集、存儲、處理、查詢(xún)、整理、復用這些科學(xué)數據已逐漸成為一門(mén)新興且關(guān)鍵的領(lǐng)域。人工智能賦能材料科學(xué)，有望為材料科學(xué)帶來(lái)范式化革命，即通過(guò)數據方式高效指導材料研發(fā)路徑，從而提升效率，降低成本。
2優(yōu)化材料合成過(guò)程
采用機器學(xué)習進(jìn)行新材料的合成設計，漸漸成為新材料合成及設計的新選擇，也給深入研究新的化合物合成準則帶來(lái)了可能，
從大量的實(shí)驗數據出發(fā)，通過(guò)訓練探究規律、積累經(jīng)驗，機器學(xué)習可以像一位經(jīng)驗豐富的材料科學(xué)家一樣，篩選分析，做出判斷，給出預測，甚至做得比人類(lèi)更好，大大節省了時(shí)間與實(shí)驗損耗。隨著(zhù)算法的豐富和復合框架的更新，新材料的合成設計與開(kāi)發(fā)會(huì )以難以想象的速度發(fā)展。
3化學(xué)研究的變革
隨著(zhù)人工智能與大數據技術(shù)的發(fā)展，人工智能驅動(dòng)的科研范式AI for Science已開(kāi)始在諸多科研領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。對于化學(xué)尤其是精準化學(xué)研究，AI技術(shù)也將帶來(lái)重要影響，無(wú)論是在新材料發(fā)現、模擬準確性、合成路徑優(yōu)化，還是在實(shí)驗自動(dòng)化方面，它都在推動(dòng)著(zhù)精準化學(xué)的進(jìn)步。
1
-提高計算模擬的準確性-
AI可以在計算模擬中起到加速器的作用，特別是在處理電子結構中的復雜相互作用時(shí)。傳統的電子結構計算需要大量計算資源，而AI通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和其他機器學(xué)習技術(shù)，能夠在短時(shí)間內給出更準確的模擬結果。同時(shí)，復雜AI模型強大的表達能力可以用來(lái)進(jìn)行波函數高效采樣，得到體系精準的能量和性質(zhì)。
2
-促進(jìn)化學(xué)合成路線(xiàn)的智能優(yōu)化-
化學(xué)合成路線(xiàn)的選擇和優(yōu)化涉及諸多變量，從原料、反應條件到設備選擇。AI能夠從海量文獻和實(shí)驗數據中，挖掘出最佳合成路線(xiàn)，預測最佳反應條件，從而降低成本，提高研究效率。
3
-實(shí)現實(shí)驗室操作的自動(dòng)化和高通量篩選-
結合機器視覺(jué)和AI技術(shù)，實(shí)驗設備可以實(shí)現智能化操作，提高實(shí)驗效率。尤其在化學(xué)合成中，AI驅動(dòng)的機器人平臺已經(jīng)能夠在數天內完成原本數十年的實(shí)驗任務(wù)，極大地提升了化學(xué)研究的速度和精度。
4
-加速新材料的研發(fā)-
傳統的材料研發(fā)往往基于“試錯法”，其研發(fā)周期長(cháng)、效率低，費時(shí)費力。AI for Science 給新材料數字化研發(fā)帶來(lái)了新的機遇和挑戰。盡管對“彎道超車(chē)”一詞有不同的看法，就新材料研發(fā)而言，借助于不斷強大且成本不斷降低的高性能計算力、數據傳輸能力、數據存儲能力等，通過(guò)大數據、云計算、人工智能以及日益增多的圍繞材料設計和性能預測的各種智能算法和模型，開(kāi)展計算、數據、AI 和實(shí)驗緊密結合的“四位一體”的“理論設計在前，實(shí)驗驗證在后”的材料數字化研究方法、業(yè)態(tài)和模式，可變革僅基于實(shí)驗“試錯法”的傳統單一研發(fā)手段，進(jìn)而有效降低成本，提高研發(fā)效率，實(shí)現對新材料研發(fā)的“彎道超車(chē)”。
人工智能技術(shù)正在通過(guò)提升材料科學(xué)研發(fā)效率、優(yōu)化材料合成過(guò)程以及推動(dòng)化學(xué)研究的變革，對合成樹(shù)脂行業(yè)產(chǎn)生深遠的影響。未來(lái)，AI與實(shí)驗科學(xué)的深度融合將是推動(dòng)新材料科技發(fā)展的關(guān)鍵動(dòng)力。
