一種用于探索輕質(zhì)，高硬度玻璃成分的新型機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以幫助設(shè)計(jì)更高效的車輛和風(fēng)力渦輪機(jī)的下一代材料。玻璃可以增強(qiáng)聚合物以產(chǎn)生復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有與金屬相似的強(qiáng)度，但重量更輕。密西根大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)教授梁琦回答了有關(guān)他的小組在npj Computational Materials中發(fā)表的新論文的問題。

什么是彈性剛度?彈性和玻璃似乎不是兩個(gè)并用的詞。

所有固體材料，包括玻璃，都具有稱為彈性剛度的特性，也稱為彈性模量。它是使材料彎曲或拉伸時(shí)每單位面積需要多少力的度量。如果這種變化是有彈性的，則一旦停止作用力，材料就可以完全恢復(fù)其原始形狀和尺寸。

為什么我們要輕便且非常堅(jiān)硬的眼鏡?

彈性剛度對于結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的任何材料都至關(guān)重要。較高的剛度意味著您可以用較薄的材料承受相同的力。例如，如果玻璃更硬，則可以將汽車擋風(fēng)玻璃以及智能手機(jī)和其他屏幕的觸摸屏中的結(jié)構(gòu)玻璃做得更薄，更輕。玻璃纖維復(fù)合材料是汽車，卡車和風(fēng)力渦輪機(jī)中廣泛使用的輕質(zhì)材料，我們可以使這些部件更輕。

根據(jù)美國能源效率和可再生能源辦公室的說法，較輕的汽車可以使用一加侖汽油，進(jìn)一步提高百分之六至百分之八，從而使重量減輕百分之十。減輕重量還可以大大增加電動汽車的續(xù)航里程。

更輕，更硬的玻璃可以使風(fēng)力渦輪機(jī)葉片更有效地將風(fēng)力轉(zhuǎn)換成電能，因?yàn)?ldquo;浪費(fèi)”了更少的風(fēng)力以使葉片旋轉(zhuǎn)。它還可以使風(fēng)力渦輪機(jī)葉片更長，從而在相同風(fēng)速下可以發(fā)電更多。

嘗試設(shè)計(jì)輕巧但富有彈性的眼鏡有哪些挑戰(zhàn)?

由于玻璃是無定形或無序的材料，因此很難預(yù)測它們的原子結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的物理/化學(xué)性質(zhì)。我們使用計(jì)算機(jī)模擬來加速眼鏡的研究，但是它們需要大量的計(jì)算時(shí)間，因此無法研究每種可能的玻璃成分。

另一個(gè)問題是，我們沒有足夠的關(guān)于玻璃成分的數(shù)據(jù)用于機(jī)器學(xué)習(xí)，從而無法有效預(yù)測新玻璃成分的玻璃性能。機(jī)器學(xué)習(xí)算法被饋送數(shù)據(jù)，并且它們在數(shù)據(jù)中找到使它們能夠進(jìn)行預(yù)測的模式。但是，如果沒有足夠的正確的培訓(xùn)數(shù)據(jù)，他們的預(yù)測是不可靠的，就像在俄亥俄州進(jìn)行的政治民意調(diào)查無法預(yù)測密歇根州的選舉一樣。

您是如何克服這些障礙的?

首先，我們使用現(xiàn)有的高通量計(jì)算機(jī)模擬來生成有關(guān)各種眼鏡的密度和彈性剛度的數(shù)據(jù)。其次，我們開發(fā)了更適合少量數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型-因?yàn)榘凑諜C(jī)器學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)，我們?nèi)匀粵]有很多數(shù)據(jù)。我們對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其關(guān)注的關(guān)鍵是原子之間相互作用的強(qiáng)度。從本質(zhì)上講，我們使用物理學(xué)來暗示它在數(shù)據(jù)中的重要性，從而提高了對新成分的預(yù)測質(zhì)量。