คู่มือแอปพลิเคชัน

AI ในการค้นพบวัสดุ

AI คาดการณ์ว่าวัสดุใหม่ชนิดใดอาจมีอยู่ มีความเสถียร และมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ ซึ่งทำให้การค้นหาลดลงอย่างมากผ่านพื้นที่สารประกอบที่เป็นไปได้ที่แทบจะไม่มีที่สิ้นสุด

ภาพรวม

AI คาดการณ์ว่าวัสดุใหม่ชนิดใดอาจมีอยู่ มีความเสถียร และมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ ซึ่งทำให้การค้นหาลดลงอย่างมากผ่านพื้นที่สารประกอบที่เป็นไปได้ที่แทบจะไม่มีที่สิ้นสุด สิ่งสำคัญสำหรับแบตเตอรี่ เซลล์แสงอาทิตย์ ตัวนำยิ่งยวด และตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งการค้นหาวัสดุที่เหมาะสมอาจใช้เวลาหลายทศวรรษ

AI ใน Materials Discovery มุ่งเน้นไปที่การใช้งานจริง: เปลี่ยนความสามารถของโมเดลให้เป็นขั้นตอนการทำงานรายวันที่เชื่อถือได้ซึ่งส่งมอบมูลค่าที่วัดได้

เจาะลึก

ตามเนื้อผ้า การค้นพบวัสดุใหม่หมายถึงการสังเคราะห์การทดลองและข้อผิดพลาดที่ช้าหรือการจำลองทางกลควอนตัมที่มีราคาแพง AI เร่งปลายทั้งสองข้าง โครงข่ายประสาทเทียมแบบกราฟแสดงคริสตัลในรูปของอะตอม (โหนด) และพันธะ (ขอบ) และเรียนรู้ที่จะทำนายคุณสมบัติ เช่น พลังงานของการก่อตัว ช่องว่างของแถบความถี่ หรือสภาพการนำไฟฟ้าในหน่วยมิลลิวินาที แทนที่จะเป็นชั่วโมงของทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น แบบจำลองเจนเนอเรทีฟเสนอโครงสร้างผู้สมัครใหม่ทั้งหมด และ AI จะคัดกรองโครงสร้างหลายล้านโครงสร้างเพื่อระบุโครงสร้างที่คุ้มค่าเพียงไม่กี่แห่งในห้องปฏิบัติการ ในปี 2023 GNoME ของ DeepMind รายงานผลึกเสถียรที่คาดการณ์ไว้นับแสนรายการ และ MatterGen ของ Microsoft สาธิตโครงสร้างการสร้างที่มีเงื่อนไขตามคุณสมบัติที่ต้องการ โมเดลเหล่านี้ป้อนเข้าห้องปฏิบัติการไร้คนขับเพิ่มมากขึ้น ซึ่งหุ่นยนต์จะสังเคราะห์และทดสอบตัวเลือกอันดับต้นๆ โดยอัตโนมัติ

ข้อมูลเชิงลึกทางเทคนิค

โมเดลคุณสมบัติคริสตัล เช่น เครือข่ายกราฟเคารพสมมาตรของฟิสิกส์ โดยโมเดลเหล่านี้ไม่แปรเปลี่ยนจากการแปล การหมุน หรือการกำหนดป้ายกำกับอะตอมใหม่ ซึ่งทำให้การคาดการณ์มีความสอดคล้องทางกายภาพและมีประสิทธิภาพในข้อมูล ไปป์ไลน์ทั่วไปใช้ตัวแทนประสาทที่รวดเร็วเพื่อจัดอันดับผู้สมัครหลายล้านคน จากนั้นตรวจสอบสิ่งที่ดีที่สุดด้วยทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น และสุดท้ายก็สังเคราะห์เพียงไม่กี่คน ช่องทางนี้เปลี่ยนการค้นหาที่ยากให้กลายเป็นรายการที่น่าสนใจ ในขณะเดียวกันก็ยังมีการตรวจสอบฟิสิกส์ที่เข้มงวดในตอนท้าย

การเรียนรู้ AI ในการค้นพบวัสดุ

AI คาดการณ์ว่าวัสดุใหม่ชนิดใดอาจมีอยู่ มีความเสถียร และมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ ซึ่งทำให้การค้นหาลดลงอย่างมากผ่านพื้นที่สารประกอบที่เป็นไปได้ที่แทบจะไม่มีที่สิ้นสุด สิ่งสำคัญสำหรับแบตเตอรี่ เซลล์แสงอาทิตย์ ตัวนำยิ่งยวด และตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งการค้นหาวัสดุที่เหมาะสมอาจใช้เวลาหลายทศวรรษ AI ใน Materials Discovery มุ่งเน้นไปที่การใช้งานจริง: เปลี่ยนความสามารถของโมเดลให้เป็นขั้นตอนการทำงานรายวันที่เชื่อถือได้ซึ่งส่งมอบมูลค่าที่วัดได้ เพื่อสร้างความเข้าใจอย่างลึกซึ้ง ให้ปฏิบัติต่อ AI ใน Material Discovery ว่าเป็นแบบจำลองการดำเนินงาน ไม่ใช่คุณลักษณะเดียว: กำหนดผลลัพธ์ที่ต้องการ ชี้แจงสมมติฐาน และแยกสิ่งที่ระบบสามารถทำได้อย่างน่าเชื่อถือจากสิ่งที่ยังต้องใช้วิจารณญาณจากผู้เชี่ยวชาญ

ในทางปฏิบัติ ทีมที่แข็งแกร่งที่ใช้ AI ใน Materials Discovery จะมุ่งเน้นไปที่ผลลัพธ์ของเวิร์กโฟลว์ ไม่ใช่จำลองการสาธิต และกำหนดจุดตรวจสอบของมนุษย์ตั้งแต่เนิ่นๆ โดยจะบันทึกเกณฑ์ความสำเร็จที่ชัดเจน ทดสอบกับข้อมูลและขั้นตอนการทำงานที่สมจริง และทำซ้ำตามรูปแบบความล้มเหลวที่สังเกตได้ แทนที่จะชนะการวัดประสิทธิภาพเพียงครั้งเดียว นี่คือจุดที่ความเข้าใจทางทฤษฎีกลายเป็นความสามารถที่คงทนของผลิตภัณฑ์ นโยบาย และการดำเนินงาน

การออกแบบระดับแอปพลิเคชันจะกำหนดว่า AI จะปรับปรุงผลลัพธ์ที่แท้จริงหรือไม่ ในขณะเดียวกัน การทำให้กระบวนการที่เสียหายเป็นอัตโนมัติสามารถขยายปัญหาที่มีอยู่ได้ แนวทางที่ยืดหยุ่นที่สุดคือการรวมความเร็วของการทดลองเข้ากับวินัยในการกำกับดูแล: ดำเนินการนำร่อง จับหลักฐาน เผยแพร่บันทึกการตัดสินใจ และอัปเดตการป้องกันอย่างต่อเนื่องเมื่อพฤติกรรมของโมเดล ความคาดหวังของผู้ใช้ และข้อกำหนดด้านกฎระเบียบมีการเปลี่ยนแปลง

ผลกระทบเชิงกลยุทธ์

การออกแบบระดับแอปพลิเคชันจะกำหนดว่า AI จะปรับปรุงผลลัพธ์ที่แท้จริงหรือไม่

การออกแบบระดับแอปพลิเคชันจะกำหนดว่า AI จะปรับปรุงผลลัพธ์ที่แท้จริงหรือไม่ ในการปรับใช้คุณภาพสูง สิ่งนี้จะถูกแปลเป็นกฎการปฏิบัติงานที่วัดผลได้ ขอบเขตความเป็นเจ้าของ และขั้นตอนการตรวจสอบที่เกิดซ้ำ เพื่อให้ทีมสามารถปรับขนาดความมั่นใจแทนที่จะปรับขนาดความคลุมเครือ

การบูรณาการขั้นตอนการทำงานที่ดีจะช่วยเพิ่มผลผลิตที่ผู้ใช้ไว้วางใจได้

การบูรณาการขั้นตอนการทำงานที่ดีจะช่วยเพิ่มผลผลิตที่ผู้ใช้ไว้วางใจได้ ในการปรับใช้คุณภาพสูง สิ่งนี้จะถูกแปลเป็นกฎการปฏิบัติงานที่วัดผลได้ ขอบเขตความเป็นเจ้าของ และขั้นตอนการตรวจสอบที่เกิดซ้ำ เพื่อให้ทีมสามารถปรับขนาดความมั่นใจแทนที่จะปรับขนาดความคลุมเครือ

กรณีการใช้งานที่มีขอบเขตดีจะช่วยลดความเหนื่อยล้าของการเปลี่ยนแปลงและความเสี่ยงในการดำเนินการ

กรณีการใช้งานที่มีขอบเขตดีจะช่วยลดความเหนื่อยล้าของการเปลี่ยนแปลงและความเสี่ยงในการดำเนินการ ในการปรับใช้คุณภาพสูง สิ่งนี้จะถูกแปลเป็นกฎการปฏิบัติงานที่วัดผลได้ ขอบเขตความเป็นเจ้าของ และขั้นตอนการตรวจสอบที่เกิดซ้ำ เพื่อให้ทีมสามารถปรับขนาดความมั่นใจแทนที่จะปรับขนาดความคลุมเครือ

อนาคตของ AI ในการค้นพบวัสดุ

ขอบเขตกำลังปิดวงจร: การออกแบบเชิงกำเนิดเสนอวัสดุเป้าหมาย, AI วางแผนเส้นทางการสังเคราะห์ และห้องปฏิบัติการหุ่นยนต์อัตโนมัติที่สร้างและวัดวัสดุเหล่านั้นพร้อมผลลัพธ์ที่ป้อนกลับเข้าไปในแบบจำลอง คาดว่าจะมีการจัดการความสามารถในการสังเคราะห์ที่ดีขึ้น ไม่ใช่แค่ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ บวกกับการเติบโตของศักยภาพระหว่างอะตอมที่เรียนรู้ด้วยเครื่องซึ่งดำเนินการจำลองโมเลกุลด้วยความแม่นยำใกล้ควอนตัม แต่มีความเร็วที่มากขึ้นอย่างมหาศาล ปลดล็อคการทดลองที่ยาวและใหญ่ขึ้น

การใช้งานจริงในโลกแห่งความเป็นจริง

GNoME ของ DeepMind คาดการณ์โครงสร้างผลึกที่มีความเสถียรใหม่นับแสนและขยายฐานข้อมูลวัสดุที่รู้จัก

ศักย์ไฟฟ้าระหว่างอะตอมที่เรียนรู้โดยเครื่องจักรทำงานอย่างรวดเร็วและมีความแม่นยำใกล้เคียง DFT ของโมเลกุลสำหรับโลหะผสมและอิเล็กโทรไลต์

แบบจำลองกำเนิดเช่น MatterGen เสนอคริสตัลโดยมีเป้าหมายไปที่ช่องว่างของแถบความถี่หรือคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ต้องการ

ห้องปฏิบัติการที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง (เช่น A-Lab) ซึ่ง AI เลือกผู้สมัครและหุ่นยนต์จะสังเคราะห์และกำหนดลักษณะโดยอัตโนมัติ

รูปแบบการดำเนินงาน

AI ในการค้นพบวัสดุในทางปฏิบัติ

GNoME ของ DeepMind คาดการณ์โครงสร้างผลึกที่มีความเสถียรใหม่นับแสนและขยายฐานข้อมูลวัสดุที่รู้จัก

GNoME ของ DeepMind ทำนายโครงสร้างผลึกที่เสถียรใหม่นับแสนและขยายฐานข้อมูลวัสดุที่รู้จัก ทีมมักจะได้รับผลลัพธ์ที่ดีขึ้นเมื่อพวกเขากำหนดเกณฑ์คุณภาพล่วงหน้า รักษาเส้นทางการยกระดับโดยมนุษย์สำหรับกรณี Edge และติดตามทั้งการเพิ่มผลผลิตและต้นทุนข้อผิดพลาดเมื่อเวลาผ่านไป

AI ในการค้นพบวัสดุในทางปฏิบัติ

ศักย์ไฟฟ้าระหว่างอะตอมที่เรียนรู้โดยเครื่องจักรทำงานอย่างรวดเร็วและมีความแม่นยำใกล้เคียง DFT ของโมเลกุลสำหรับโลหะผสมและอิเล็กโทรไลต์

ศักยภาพระหว่างอะตอมที่เรียนรู้โดยเครื่องจักรทำงานอย่างรวดเร็วและมีความแม่นยำใกล้เคียง DFT ในระดับโมเลกุลสำหรับโลหะผสมและอิเล็กโทรไลต์ ทีมมักจะได้รับผลลัพธ์ที่ดีกว่าเมื่อพวกเขากำหนดเกณฑ์คุณภาพล่วงหน้า รักษาเส้นทางการยกระดับของมนุษย์สำหรับกรณี Edge และติดตามทั้งประสิทธิภาพการผลิตที่เพิ่มขึ้นและต้นทุนข้อผิดพลาดเมื่อเวลาผ่านไป

AI ในการค้นพบวัสดุในทางปฏิบัติ

แบบจำลองกำเนิดเช่น MatterGen เสนอคริสตัลโดยมีเป้าหมายไปที่ช่องว่างของแถบความถี่หรือคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ต้องการ

แบบจำลองเชิงกำเนิด เช่น MatterGen ที่เสนอคริสตัลโดยมีเป้าหมายไปที่ช่องว่างแถบความถี่หรือคุณสมบัติทางแม่เหล็ก ทีมมักจะได้รับผลลัพธ์ที่ดีกว่าเมื่อพวกเขากำหนดเกณฑ์คุณภาพล่วงหน้า รักษาเส้นทางการยกระดับโดยมนุษย์สำหรับกรณี Edge และติดตามทั้งประสิทธิภาพการทำงานที่เพิ่มขึ้นและต้นทุนข้อผิดพลาดเมื่อเวลาผ่านไป

AI ในการค้นพบวัสดุในทางปฏิบัติ

ห้องปฏิบัติการที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง (เช่น A-Lab) ซึ่ง AI จะคัดเลือกผู้สมัคร และหุ่นยนต์จะสังเคราะห์และกำหนดลักษณะเฉพาะของพวกมันโดยอัตโนมัติ

ห้องปฏิบัติการที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง (เช่น A-Lab) ซึ่ง AI เลือกผู้สมัครและหุ่นยนต์สังเคราะห์และกำหนดลักษณะโดยอัตโนมัติ ทีมมักจะได้รับผลลัพธ์ที่ดีกว่าเมื่อพวกเขากำหนดเกณฑ์คุณภาพล่วงหน้า รักษาเส้นทางการยกระดับโดยมนุษย์สำหรับกรณี Edge และติดตามทั้งประสิทธิภาพการผลิตที่เพิ่มขึ้นและต้นทุนข้อผิดพลาดเมื่อเวลาผ่านไป

ความเสี่ยงและรั้ว

!

การทำให้กระบวนการที่เสียหายเป็นอัตโนมัติสามารถขยายปัญหาที่มีอยู่ได้

!

ทีมอาจดำเนินการอัตโนมัติมากเกินไปและลบวิจารณญาณของมนุษย์ที่จำเป็นออก

!

คุณภาพอาจคลาดเคลื่อนได้หากไม่ได้รับการประเมินผลลัพธ์อย่างต่อเนื่อง

แผนงานการดำเนินงาน

1

แมปขั้นตอนการทำงานปัจจุบันและระบุขั้นตอนที่มีแรงเสียดทานสูงสุด

แมปขั้นตอนการทำงานปัจจุบันและระบุขั้นตอนที่มีแรงเสียดทานสูงสุด ถือว่าแต่ละขั้นตอนเป็นเหมือนประตูหลักฐาน: หากไม่ตรงตามเกณฑ์ ให้หยุดการเปิดตัวชั่วคราว ปิดช่องว่าง จากนั้นจึงขยายการใช้งานเท่านั้น

2

กำหนดจุดตรวจของมนุษย์ก่อนระบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ

กำหนดจุดตรวจของมนุษย์ก่อนระบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ ถือว่าแต่ละขั้นตอนเป็นเหมือนประตูหลักฐาน: หากไม่ตรงตามเกณฑ์ ให้หยุดการเปิดตัวชั่วคราว ปิดช่องว่าง จากนั้นจึงขยายการใช้งานเท่านั้น

3

ฝึกอบรมผู้ใช้เกี่ยวกับการแจ้งเตือน เส้นทางการยกระดับ และมาตรฐานคุณภาพ

ฝึกอบรมผู้ใช้เกี่ยวกับการแจ้งเตือน เส้นทางการยกระดับ และมาตรฐานคุณภาพ ถือว่าแต่ละขั้นตอนเป็นเหมือนประตูหลักฐาน: หากไม่ตรงตามเกณฑ์ ให้หยุดการเปิดตัวชั่วคราว ปิดช่องว่าง จากนั้นจึงขยายการใช้งานเท่านั้น

4

ติดตามผลลัพธ์ระดับงานเพื่อยืนยันคุณค่าที่ยั่งยืน

ติดตามผลลัพธ์ระดับงานเพื่อยืนยันคุณค่าที่ยั่งยืน ถือว่าแต่ละขั้นตอนเป็นเหมือนประตูหลักฐาน: หากไม่ตรงตามเกณฑ์ ให้หยุดการเปิดตัวชั่วคราว ปิดช่องว่าง จากนั้นจึงขยายการใช้งานเท่านั้น

สำรวจต่อไป