初探材料信息學(xué)

2016年5月5日，Nature以封面形式報(bào)道了一篇基于失敗的合成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測新材料合成的文章，該方法預(yù)測的有機(jī)模板合成釩亞硒酸鹽的成功率可達(dá)89%。這項(xiàng)工作與其說是計(jì)算機(jī)科學(xué)應(yīng)用于材料學(xué)的一項(xiàng)新的研究成果，不如說是材料學(xué)與信息技術(shù)相結(jié)合的一項(xiàng)新的突破。當(dāng)前，材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展日新月異，新材料、新技術(shù)、新工藝和新方法層出不窮。隨之而來，材料信息的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜性大大提高。如何高效管理、存儲不同類型的材料科學(xué)數(shù)據(jù)，如何最大限度地從中挖掘有價值的信息，如何最大限度地實(shí)現(xiàn)材料信息的資源共享和知識創(chuàng)新等，都是擺在材料研究工作者面前的一系列難題。信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展為以上問題的解決提供了可能性，將材料科學(xué)和信息技術(shù)結(jié)合起來服務(wù)于材料科學(xué)研究，一門新興的學(xué)科——材料信息學(xué)正在蓬勃發(fā)展。什么是材料信息學(xué)材料信息學(xué)(meterialsinformatics)概念的提出要追溯到1999年在波士頓舉行的MaterialsInformatics——EffectiveDataManagementforNewMaterialsDiscovery國際會議。一般認(rèn)為，材料信息學(xué)是利用信息科學(xué)與技術(shù)對材料進(jìn)行收集、存儲、加工、檢索、提取、交換、傳輸、分析、研究和應(yīng)用的學(xué)科。比較準(zhǔn)確地來說，什么是材料信息學(xué)，學(xué)術(shù)界還么有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義。如何通俗易懂地理解材料信息學(xué)材料信息簡單地來講，就是材料科學(xué)與工程學(xué)同信息科學(xué)與工程交叉滲透而形成的全新學(xué)科材料信息學(xué)也應(yīng)運(yùn)而產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，海量的材料數(shù)據(jù)也有了信息化的需求。于是，材料科學(xué)與工程同信息科學(xué)與工程交叉滲透而形成的全新學(xué)科材料信息學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生。再直白一點(diǎn)來說，材料信息學(xué)其實(shí)就是材料學(xué)+信息技術(shù)+計(jì)算機(jī)科學(xué)。發(fā)展材料信息學(xué)的基本條件一、數(shù)據(jù)采集材料信息數(shù)據(jù)采集本身是材料工程領(lǐng)域的工作，卻又是材料信息學(xué)的基礎(chǔ)，因?yàn)椴牧闲畔W(xué)就是建立在海量材料數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上的。因此，掌握材料數(shù)據(jù)采集技術(shù)或者說推動材料數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，也是成為材料信息學(xué)專業(yè)人員的必備條件。二、材料信息平臺的建立材料信息學(xué)最重要的部分，就是研究如何建立材料信息平臺，這個平臺的建立，有幾個關(guān)鍵的問題必須要解決：1、材料信息的數(shù)據(jù)表達(dá)和數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化高通量實(shí)驗(yàn)或者其他更先進(jìn)的材料數(shù)據(jù)采集方法獲得了海量的材料數(shù)據(jù)，但是散布在全球，散布在不同的實(shí)驗(yàn)室不同的研究人員手里，不同的數(shù)據(jù)庫采用不同的信息數(shù)據(jù)表達(dá)方式。如何沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一歸納、整理，海量數(shù)據(jù)的重復(fù)性、、分散性和雜亂性，就無法實(shí)現(xiàn)真正的信息化供檢索、挖掘和應(yīng)用，材料信息化會成為一個偽命題。如何實(shí)現(xiàn)材料信息的數(shù)據(jù)表達(dá)和數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化，是材料信息學(xué)發(fā)展與成型的根本。2、材料信息的組織、管理、檢索、過濾和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)有了，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一了，貌似導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫就可以信息化了。但材料數(shù)據(jù)的表現(xiàn)信息多樣，開發(fā)專門的分類別材料數(shù)據(jù)庫也是必要的。但是，從業(yè)人員還需要面臨的一個問題就是數(shù)據(jù)的共享。材料數(shù)據(jù)散落各地的總量肯定是很大的，但是如何制定有效的激勵與共享機(jī)制，讓不同的研究機(jī)構(gòu)和人員愿意共享這些研究成果，實(shí)現(xiàn)起來也是一件非常困難的事情。3、數(shù)據(jù)挖掘大數(shù)據(jù)時代，如果對有用信息進(jìn)行有效的挖掘，也是擺在材料行業(yè)人員面前的一大難題。材料信息學(xué)需要在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘方法的基礎(chǔ)上對材料數(shù)據(jù)挖掘方法進(jìn)行適用性改進(jìn)。三、數(shù)據(jù)的應(yīng)用與材料制備和性能測試解決好信息平臺的問題，接下來就需要將數(shù)據(jù)應(yīng)用到新材料的開發(fā)和設(shè)計(jì)中來。利用信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)對材料的開發(fā)、設(shè)計(jì)制備以及性能的測試，當(dāng)前還處于研究的初級階段，取得的成果也具有一定的局限性，如上文中所提到的采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對材料制備方法進(jìn)行預(yù)測，目前還僅限于少量的材料。與數(shù)據(jù)采集一樣，材料制備和性能測試雖然與材料科學(xué)結(jié)合更緊密，但更是材料信息學(xué)最終的目標(biāo)，如果信息化無法很好地落地到新材料的研發(fā)，那材料信息化的意義也會大打折扣。材料信息學(xué)發(fā)展的困境綜上可以看出，材料信息學(xué)涉及多個層面的材料科學(xué)與工程學(xué)內(nèi)容，還涉及大計(jì)算機(jī)信息學(xué)，數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容。關(guān)于材料信息學(xué)的發(fā)展,COSMIC中心負(fù)責(zé)人Krishna指出,現(xiàn)階段，材料信息學(xué)發(fā)展的最大瓶頸在于缺乏專門的教育機(jī)構(gòu),不能培養(yǎng)熟悉多學(xué)科研究的、高水平的科學(xué)家和工程技術(shù)人員，Krishna還在斯利爾理工大學(xué)（RensselaerPolytechnicInstitute(RPI)::Architecture,Business,Engineering,Humanities,IT&WebScience,Scienc)的材料科學(xué)系開設(shè)了世界上第一門材料信息學(xué)課MaterialsisIT.除了教育的缺失，人才的匱乏，材料信息學(xué)作為一門全新的學(xué)科，無論是在理論層面還是實(shí)踐層面，都處于摸索階段，沒有更多的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范作為指導(dǎo)，甚至沒有形成制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的平臺等等，都是制約材料信息學(xué)發(fā)展的重要因素。材料信息學(xué)的發(fā)展，任重而道遠(yuǎn)。材料信息學(xué)發(fā)展的意義一、降低研發(fā)成本如果沒有材料信息學(xué)平臺或技術(shù)的支持，傳統(tǒng)新材料的研發(fā)就要調(diào)動大量的人力和設(shè)備資源，消耗大量的能源和原材料，花費(fèi)大量的時間去進(jìn)行制備、測試、表征。借助于材料信息學(xué)平臺，人們可以做到：對材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)汁和優(yōu)化、進(jìn)行分析和表征、對特定結(jié)構(gòu)材料的性能進(jìn)行預(yù)測等。在此基礎(chǔ)上，再有針對性地進(jìn)行材料制備、測試、表征。綜合而言，研發(fā)成本大為降低。二、提高工作效率，縮短研發(fā)時間在傳統(tǒng)材料制備過程中，即使一個稍簡單的配方的計(jì)算也需要一定的時間和精力。如果將這一過程制成通用軟件，就可以極大地提高工作效率、縮短研發(fā)時間。三、減少重復(fù)勞動，降低勞動強(qiáng)度在材料研究中，有許多基礎(chǔ)的知識、方法和工具等，它們的信息化使研究者可直接提取、調(diào)用，省去了大量繁瑣、重復(fù)性的勞動，使勞動時間和強(qiáng)度大為降低。如已經(jīng)發(fā)表的、數(shù)以十萬計(jì)的與相圖相關(guān)的數(shù)據(jù)構(gòu)成新研究的基礎(chǔ)。而這一基礎(chǔ)持續(xù)以約每年數(shù)千篇的速度增加著。無疑，專門的數(shù)據(jù)庫是必需的。結(jié)：將材料數(shù)據(jù)信息化，通過數(shù)據(jù)挖掘與驗(yàn)證，然后將驗(yàn)證結(jié)果加入信息系統(tǒng)，能達(dá)到知識發(fā)現(xiàn)的目的。信息的積累是經(jīng)驗(yàn)的積累與時間成本的結(jié)余，因此可見，材料信息學(xué)能大大提升新料研發(fā)的效率。參考資料：1、魏群義，彭曉東，劉相果，謝衛(wèi)東。材料信息學(xué)及其發(fā)展思路，科學(xué)通報(bào)，2006年2月第4期第51卷。2、宋慶功，姜恩永，韓志勇，張茂才。材料信息學(xué)平臺的研究現(xiàn)狀發(fā)展趨勢與作用。材料導(dǎo)報(bào)，2008年1月第22卷第1期。3、肖建茂，汪浩，歐陽楚英?；诓牧匣蚬こ痰匿囯x子電池材料數(shù)據(jù)生成及數(shù)據(jù)挖掘平臺。江西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015年1月第39卷第1期。TheJournalofMaterialsInformatics（《材料信息學(xué)》雜志）順應(yīng)材料信息化需求，以服務(wù)材料人、材料業(yè)，服務(wù)中