人工智能如何驯服复杂的材料技术并转变制造业

用火焰喷雾热解法制备纳米材料是复杂的，但是阿贡大学的科学家发现了应用人工智能如何能够导致更简单的工艺和更好的性能。在欧洲能源部阿贡国家实验室的制造和工程研究设施的参观过程中，马吕斯·斯坦(Marius Stan)领导了阿贡应用材料部门(AMD)的智能材料设计负责人，他遇到了一个新的实验装置。当他在实验中观察这台依靠火焰来生产纳米材料的机器时，他想到：可以使用人工智能来优化这个复杂的过程吗?

当被要求解释该过程时，Stan简简单单地说：“在这里，科学家将化学物质放进火焰中，等待奇迹出现，以使颗粒在过程结束时出现，这些颗粒在各种应用中具有重要的性能。” 火焰喷雾热解是一种能够大量生产纳米材料的技术，这对于生产多种工业材料(例如化学催化剂，电池电解质/阴极和颜料)至关重要。

持续到2020年7月，并在《材料与设计》(Materials&Design)杂志上发表了“通过统计和机器学习进行框架喷雾热解优化” ，该论文由AMD研究团队撰写，显示火焰喷雾热解过程实际上可以进行优化以产生更好的-表演有助于改变国内制造业的材料。

研究人员发现了如何使用先进的统计技术来改变材料的化学性质并调整机器参数的方法。

计算材料科学家，论文的主要作者诺亚·保尔森(Noah Paulson)和负责实验室火焰喷雾热解的主要材料科学家乔·利伯拉(Joe Libera)表示：“我们决定研究二氧化硅的生产，以试图影响粉末的质量。”和斯坦。“我们发现我们可以使用机器学习来控制火焰喷涂热解设置中的输入，而且它很复杂，有很多不同的输入，并且可以获得理想的结果。”

保尔森补充说，之所以选择二氧化硅是因为它非常适合于计算建模，但是这项研究的发现可能会产生大量改进的材料，例如电池电极。“如果您有一辆汽车，并且想在一次充电时将汽车的行驶里程扩大一倍，就需要更好的电池材料。这就是我们在这些应用方面的局限性。”

人工智能在研究中的作用尤其值得注意。斯坦(Stan)在他的职业生涯中致力于研究人与机器之间的关系，他说，该项目的分析水平是如此复杂，以至于对于人类来说几乎是不可行的。

“这是一个演示，我们可以创建一种算法和软件来控制一个过程，甚至比人类可以控制的过程更好。这涉及到很多参数，因此人工智能对于增强我们的大脑来处理这些信息是必不可少的，”斯坦说。“我们不可能仅仅通过观察从数据中提取这些发现，因为存在如此众多的维度。”

保尔森同意了。保尔森说：“这项技术的核心是机器学习，它使我们能够在没有人工干预的情况下优化这些处理条件。” “基本上，我们可以在一天的实验中将(我们想要的)粒度分布归零，而可能要花几周的时间。”

展望未来，保尔森和斯坦指出了可能涉及实验和计算两方面的进一步研究。

在制造和工程研究设施中，研究团队的成员正在寻求与行业合作伙伴的联系，以研究项目软件如何更好地控制火焰喷涂热解过程中的燃烧和化学过程。同时，他们希望利用Argonne即将推出的高性能超级计算机Aurora及其百亿分之几的功能来帮助完成这项工作的密集计算性质。

鲍尔森认为，这些努力最终将导致产生更好材料的能力，这是在许多不同技术领域取得进步的先决条件。

他说：“材料是真正的瓶颈。” “如果我们能够找到一种方法，将在实验室中看到的成功转化为可以以合理的成本制造的材料，那么我们就可以实现世界上真正需要的那些技术。”

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