美用遺傳算法逆向設(shè)計(jì)新型納米材料

科技日?qǐng)?bào)訊（記者劉霞）據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)10月29日（北京時(shí)間）報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家使用遺傳算法逆向設(shè)計(jì)出一種架構(gòu)，并用這種架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)新型納米材料。這是科學(xué)家們首次證明，可用逆向設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)自組裝的納米結(jié)構(gòu)。另外，該研究也證明了機(jī)器學(xué)習(xí)和“大數(shù)據(jù)”方法在設(shè)計(jì)納米材料方面的潛力。最新研究發(fā)表在10月28日出版的美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

該研究團(tuán)隊(duì)使用以前研發(fā)出的一種遺傳算法，設(shè)計(jì)出嫁接了DNA的粒子，這種粒子能自組裝成他們想要的晶體結(jié)構(gòu)。這是一種逆向研究過(guò)程。傳統(tǒng)研究中，嫁接了單鏈DNA的膠狀粒子可以自組裝，隨后，科學(xué)家們會(huì)對(duì)得到的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，然后再進(jìn)行改進(jìn)，直到得到自己想要的結(jié)構(gòu)。

該研究的合作者森納特·庫(kù)爾瑪表示：“盡管傳統(tǒng)方法有助于我們事后理解是什么因素在管控這一自組裝過(guò)程，但并不能讓我們提前設(shè)計(jì)出我們需要的結(jié)構(gòu)。最新研究解決了這個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題，而且，提出了一種革命性的優(yōu)化方法，其不僅能提前再現(xiàn)細(xì)節(jié)，而且也能解釋以前未被觀察到的結(jié)構(gòu)?！?/p>

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、哥倫比亞大學(xué)化學(xué)工程學(xué)教授文卡特·文卡塔蘇布拉曼尼安表示：“我們的設(shè)計(jì)架構(gòu)將有助于加速新材料的制造過(guò)程。從某種意義上來(lái)說(shuō)，我們正在通過(guò)讓其同計(jì)算方法完美地匹配，從而改變新材料的制造過(guò)程?！?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)正在使用“大數(shù)據(jù)”概念和新技術(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)新式納米材料，這是美國(guó)“材料基因組計(jì)劃”的一個(gè)優(yōu)先領(lǐng)域?！安牧匣蚪M計(jì)劃”的目的是研發(fā)出新方法來(lái)革新材料的設(shè)計(jì)，從而改進(jìn)與日常生活息息相關(guān)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品涵蓋的范圍非常廣，從藥物到殺蟲(chóng)劑或除草劑等農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)再到燃料附加物、涂料和油漆，甚至洗發(fā)精這樣的個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品等。

哥倫比亞大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與工程研究所所長(zhǎng)凱思琳·麥吉翁表示：“這一逆向設(shè)計(jì)方法證明了機(jī)器學(xué)習(xí)和算法工程方法在解決材料科學(xué)領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)方面極具潛力?！?/p>

文卡塔蘇布拉曼尼安表示，他們計(jì)劃對(duì)這一方法繼續(xù)探索，改進(jìn)其模型并引入更多的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。

遺傳算法是常見(jiàn)于人工智能領(lǐng)域的概念：用自然演化，優(yōu)勝劣汰的方式選擇最合適的結(jié)構(gòu)。這種算法如今用于材料設(shè)計(jì)，前提是科學(xué)家積累了大量材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。材料化學(xué)如此復(fù)雜，以致于一些化學(xué)過(guò)程的因果鏈條很難還原。而引入大數(shù)據(jù)，可以避開(kāi)對(duì)因果關(guān)系的追尋，并給出很可能正確的推測(cè)。此次初試成功后，材料學(xué)家想必會(huì)更多借助計(jì)算機(jī)挖掘舊數(shù)據(jù)。探索的路上多了一盞明燈。

新聞來(lái)源：http://www.wokeji.com/qyts/1_qykj/201310/t20131030_313229.shtml