新材料研發(fā)智能化技術(shù)發(fā)展研究

一、前言新材料是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，高新技術(shù)和高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)。發(fā)達(dá)國家高度重視新材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提出了一系列旨在加速新材料發(fā)展的研究計(jì)劃，推動了大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）技術(shù)在材料領(lǐng)域的應(yīng)用，逐步構(gòu)建了新材料研發(fā)智能化技術(shù)體系，正在形成有利于智能化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的科技、社會、市場生態(tài)。未來5~10年，新材料研發(fā)智能化將成為材料領(lǐng)域主要的發(fā)展模式，相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展程度、基礎(chǔ)設(shè)施與支撐平臺建設(shè)水平、多學(xué)科交叉的復(fù)合型人才培養(yǎng)質(zhì)量，將決定新材料領(lǐng)域原始科技創(chuàng)新能力，對高新技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。新材料研發(fā)智能化以材料大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、AI為核心，融合材料計(jì)算設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)以開展材料高維空間全局尋優(yōu)；通過材料研發(fā)–生產(chǎn)–應(yīng)用全鏈條的協(xié)同創(chuàng)新和一體化發(fā)展，顯著提升新材料研發(fā)和應(yīng)用效率。構(gòu)建高效計(jì)算設(shè)計(jì)、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)、大數(shù)據(jù)、AI等融合的新材料研發(fā)智能化技術(shù)體系，是變革材料研發(fā)模式、提高新材料工程化應(yīng)用水平、推動材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的有效途徑；建設(shè)材料數(shù)據(jù)資源體系、智能化研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施支撐體系，將筑牢新材料研發(fā)智能化的發(fā)展基礎(chǔ)，促進(jìn)材料信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展。上述舉措的實(shí)施，有助于破解高新技術(shù)、高端關(guān)鍵材料“卡脖子”困境，增強(qiáng)關(guān)鍵材料和高端構(gòu)件自主保障能力。近10年來，新材料智能化技術(shù)發(fā)展迅速，顛覆了新材料的研發(fā)理念和模式。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)與材料計(jì)算融合，有望突破材料跨尺度計(jì)算難題，實(shí)現(xiàn)材料多尺度、全流程的智能化計(jì)算模擬和設(shè)計(jì)；AI與材料實(shí)驗(yàn)融合，推動實(shí)驗(yàn)技術(shù)朝著自動化、自主化、智能化方向發(fā)展，提升了新材料實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)及驗(yàn)證的效率與水平；大數(shù)據(jù)和AI在新材料研發(fā)中的廣泛應(yīng)用，推動了材料研發(fā)技術(shù)、研發(fā)范式的變革，為實(shí)質(zhì)性解決材料研發(fā)效率低下這一瓶頸提供了新途徑。針對新材料研發(fā)智能化技術(shù)體系構(gòu)建問題，梳理國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析面臨的發(fā)展挑戰(zhàn)，提出技術(shù)體系構(gòu)建途徑以及支持發(fā)展的舉措建議，以期為新材料研發(fā)智能化的技術(shù)實(shí)踐與管理研究提供基礎(chǔ)參考。二、新材料研發(fā)智能化技術(shù)國際研究進(jìn)展（一）材料智能計(jì)算設(shè)計(jì)技術(shù)及軟件隨著材料計(jì)算理論及相應(yīng)算法的發(fā)展、計(jì)算機(jī)算力的提升，材料計(jì)算已經(jīng)貫穿新材料研發(fā)的整個流程，成為新材料理性設(shè)計(jì)的重要手段和基礎(chǔ)技術(shù)；支持材料物理和化學(xué)機(jī)制探索，建立材料成分–結(jié)構(gòu)–性能之間的構(gòu)效關(guān)系；支持材料成分篩選、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化，提高發(fā)現(xiàn)新材料的效率；支持材料性能優(yōu)化、壽命預(yù)測，加速產(chǎn)品研發(fā)迭代并促進(jìn)工程化應(yīng)用。材料計(jì)算模擬與AI融合，提高了材料計(jì)算在新材料研發(fā)過程中的貢獻(xiàn)度，相應(yīng)研究范圍持續(xù)拓寬，從解釋實(shí)驗(yàn)、預(yù)測實(shí)驗(yàn)發(fā)展到替代實(shí)驗(yàn)，研究對象趨向多尺度、復(fù)雜和真實(shí)體系，應(yīng)用范圍從新材料研發(fā)鏈擴(kuò)展到生產(chǎn)鏈、應(yīng)用鏈。AI技術(shù)快速融入材料計(jì)算，在多尺度計(jì)算、高通量計(jì)算、集成計(jì)算等方面進(jìn)展明顯。使用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法改進(jìn)泛函，提高了密度泛函理論的計(jì)算精度和適用性。利用第一性原理計(jì)算的數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建原子間的作用勢，已獲得廣泛應(yīng)用。例如，基于第一性原理計(jì)算、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法，構(gòu)建碳的亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)相圖并確定亞穩(wěn)態(tài)材料的相對穩(wěn)定性與合成域，為材料非平衡動/熱力學(xué)計(jì)算、亞穩(wěn)態(tài)材料設(shè)計(jì)提供了新手段。將數(shù)據(jù)驅(qū)動材料建模的思路應(yīng)用到多尺度仿真框架，發(fā)展了多尺度有限元方法，提高了結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算效率，應(yīng)用到纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料開發(fā)。機(jī)器學(xué)習(xí)在材料集成計(jì)算工程的多個方向獲得應(yīng)用，如材料微結(jié)構(gòu)表征、多尺度建模、高保真數(shù)據(jù)生成及傳遞、基于數(shù)字孿生的智能制造等。（二）材料自主/智能實(shí)驗(yàn)技術(shù)及裝置AI與實(shí)驗(yàn)的深度融合，推動材料實(shí)驗(yàn)朝著自動化、自主化、智能化方向發(fā)展，孕育著材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)的新變革。世界首套材料自主研究系統(tǒng)（ARES）具有近100次/天的實(shí)驗(yàn)通量，與高效原位表征技術(shù)、邏輯回歸算法降維參量網(wǎng)格相結(jié)合，從影響碳納米管生長的10維參數(shù)網(wǎng)絡(luò)中篩選出了決定碳納米管壁層數(shù)的溫度和烴壓條件，按照不同的預(yù)設(shè)生長速率可控制備碳納米管?；贏RES的增材制造自主實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)]，與注射器擠壓打印成型技術(shù)、云端機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化算法相結(jié)合，通過自主調(diào)節(jié)打印參數(shù)實(shí)現(xiàn)單層打印特征的直接寫入，在不到100次實(shí)驗(yàn)迭代后完成預(yù)定的打印目標(biāo)。基于即插即用模塊的連續(xù)流動化學(xué)合成系統(tǒng)，將流動化學(xué)合成過程分解為可自由排列組合的模塊，根據(jù)用戶需求自由選擇試劑、反應(yīng)器、分離器、反應(yīng)過程表征等模塊，具有遠(yuǎn)程啟動、監(jiān)控進(jìn)度、分析結(jié)果的能力，可依據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行自動優(yōu)化。被稱為“移動化學(xué)家”的自主實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將激光掃描、觸摸反饋組合，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室空間內(nèi)的精確定位（空間精度為±0.12mm，取向精度為±0.005°）；可同時(shí)響應(yīng)10個維度的變量，在8天內(nèi)自主完成688個實(shí)驗(yàn)，獲得了一種新型的化學(xué)催化劑。針對多個材料性能目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的自主實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可消除人員先驗(yàn)知識對相互沖突材料性能指標(biāo)的主觀偏向，實(shí)現(xiàn)多性能參數(shù)的協(xié)同平衡優(yōu)化，使材料具有良好的綜合性能。自主實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠高效完成多維參量空間內(nèi)的研究工作，應(yīng)對更為復(fù)雜、高維化的新材料研發(fā)需求，使新材料的發(fā)現(xiàn)效率表現(xiàn)為類“摩爾定律”。（三）數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料研發(fā)與數(shù)字孿生以材料大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、AI為核心的新材料研發(fā)智能化，孕育著材料科技和產(chǎn)業(yè)的變革，成為顛覆性前沿技術(shù)。多個國家從搶占未來科技制高點(diǎn)的角度，前瞻布局材料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，積極研發(fā)材料AI核心軟件。針對材料數(shù)據(jù)多源、多模態(tài)、多粒度、多維度的特點(diǎn)，研究材料數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議、云資源管理技術(shù)等。應(yīng)用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提升材料數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，便于數(shù)據(jù)的個性化表達(dá)、高效存儲及檢索?；谧匀徽Z言處理算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器的語義知識理解，直接從科技文獻(xiàn)等文本語言中獲取材料知識，支持新材料預(yù)測和發(fā)現(xiàn)。以主動學(xué)習(xí)、貝葉斯優(yōu)化為代表的自主決策技術(shù)，在對巨大材料探索空間進(jìn)行有效采樣的基礎(chǔ)上，以較少的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和迭代即可篩選出具有最優(yōu)目標(biāo)性能的材料，成為數(shù)據(jù)驅(qū)動新材料研發(fā)的通用技術(shù)策略。深度學(xué)習(xí)用于挖掘材料的復(fù)雜構(gòu)效關(guān)系，提高新材料的發(fā)現(xiàn)效率。利用具有廣泛適用性的主動學(xué)習(xí)框架，從數(shù)百萬種高熵合金成分中開發(fā)了2種高熵因瓦合金（300K時(shí)熱膨脹系數(shù)極低），展示了主動學(xué)習(xí)框架在小樣本數(shù)據(jù)條件下、廣域空間內(nèi)優(yōu)化多目標(biāo)性能的潛力?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)框架，能夠預(yù)測數(shù)十種新的晶體結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的分子材料特性，逆向生成分子合成路線以顯著提升搜索效率。將數(shù)字孿生技術(shù)用于復(fù)雜材料/器件服役性能優(yōu)化，可完善材料/工藝的理性設(shè)計(jì)，驅(qū)動上游材料設(shè)計(jì)、下游制造過程的革新。以計(jì)算–實(shí)驗(yàn)–數(shù)據(jù)技術(shù)融合為特征的材料基因工程是解決新材料研發(fā)和應(yīng)用效率低下問題的有效方法，大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)的應(yīng)用更顯成效突出。（四）材料研發(fā)智能化平臺和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同的材料研發(fā)智能化平臺、基礎(chǔ)設(shè)施等條件，是新材料研發(fā)智能化技術(shù)發(fā)展、規(guī)?；瘧?yīng)用的直接需求。以美國材料基因組計(jì)劃為例，實(shí)施初期（2011年）擬建15個創(chuàng)新平臺，2015年擴(kuò)大到45個，多個領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)等參與創(chuàng)新平臺建設(shè)；在自然科學(xué)基金會的支持下，建設(shè)界面材料分析發(fā)現(xiàn)、二維晶體材料、生物高分子材料、聚糖材料等智能化創(chuàng)新平臺，革新材料制備/加工、表征/評價(jià)、理論/建模/仿真等研發(fā)模式及支撐條件，形成工具、代碼、樣本、數(shù)據(jù)、技術(shù)共享的良好生態(tài)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院牽頭，集成近百家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的材料數(shù)據(jù)、代碼、計(jì)算工具等資源與服務(wù)，開發(fā)“材料資源注冊系統(tǒng)”“材料數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”以支撐材料協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)材料高通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算建模軟件工具的高質(zhì)量集成，引領(lǐng)國際材料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展；AI和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用到企業(yè)的89個項(xiàng)目，獲得了可觀的投資回報(bào)。材料加速平臺應(yīng)用于清潔能源材料研發(fā)，取得了重要進(jìn)展。融合AI模型、實(shí)驗(yàn)機(jī)器人、自主決策軟件、數(shù)據(jù)庫以及人工經(jīng)驗(yàn)，基于自主實(shí)驗(yàn)的閉環(huán)反饋過程來調(diào)度各類算法，開展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互；機(jī)器人自動執(zhí)行實(shí)驗(yàn)，自動調(diào)用數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測模型，自主執(zhí)行新的實(shí)驗(yàn)，形成反饋迭代和循環(huán)，以此快速發(fā)現(xiàn)新材料。建設(shè)材料加速平臺的關(guān)鍵技術(shù)有：智能化的自驅(qū)動研發(fā)閉環(huán)系統(tǒng)、可組裝多種制備表征手段的模塊化材料機(jī)器人、跨時(shí)空尺度的材料計(jì)算模擬方法、適應(yīng)材料研發(fā)特點(diǎn)的AI算法、支撐自主實(shí)驗(yàn)的逆向設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施及交換平臺等。材料智能化平臺和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將釋放材料科學(xué)發(fā)現(xiàn)的“摩爾定律”效應(yīng)，加速材料研發(fā)速度至少10倍。三、我國新材料研發(fā)智能化技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀在“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺”的支持下，以高通量計(jì)算設(shè)計(jì)、高通量實(shí)驗(yàn)、大數(shù)據(jù)為代表的材料基因工程技術(shù)取得突破。相關(guān)進(jìn)展推動了新材料研發(fā)理念的深刻轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了材料研發(fā)技術(shù)體系的革新發(fā)展，提高了大數(shù)據(jù)、AI技術(shù)在材料研發(fā)中的應(yīng)用水平，為新材料智能化發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。（一）材料高通量/智能計(jì)算與平臺開發(fā)了ALKEMIE、MatCloud、MIP、CNMGE等高通量/集成計(jì)算軟件，具備微觀–介觀–宏觀多尺度、并發(fā)式、自動流程的計(jì)算能力，推動材料高通量計(jì)算設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)入國際先進(jìn)行列。在天津、長沙、廣州等國家超級計(jì)算中心建立了材料高通量計(jì)算平臺，提供高通量計(jì)算、數(shù)據(jù)處理一體化技術(shù)，支持用戶在互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算環(huán)境下開展大規(guī)模計(jì)算的遠(yuǎn)程信息交互，為材料智能計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展筑牢了基礎(chǔ)。利用AI技術(shù)構(gòu)建了高精度的泛函，發(fā)展了深度勢與高通量計(jì)算相結(jié)合的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，據(jù)此預(yù)測出拓?fù)浣^緣體、催化材料、二維材料等前沿材料。中國科學(xué)家參與的“深度勢能”國際團(tuán)隊(duì)，結(jié)合分子建模、機(jī)器學(xué)習(xí)、高性能計(jì)算，將具有從頭算精度的分子動力學(xué)模擬極限提升至1×108個原子規(guī)模（原本需要60年時(shí)間的計(jì)算任務(wù)壓縮為1天），獲得國際高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎（2020年）。盡管目前我國智能計(jì)算僅集中在部分材料方向，但表現(xiàn)出的技術(shù)先進(jìn)性和應(yīng)用優(yōu)勢，為未來全面實(shí)現(xiàn)AI與材料計(jì)算融合積累了有益經(jīng)驗(yàn)。（二）材料高通量/自主實(shí)驗(yàn)與平臺研發(fā)了薄膜、粉體、塊體、復(fù)合材料等的高通量制備技術(shù)和30余種關(guān)鍵裝置，涵蓋材料芯片、粉體陣列，凝固、鍛造、熱處理等工藝，提高了新材料的實(shí)驗(yàn)篩選及發(fā)現(xiàn)效率。研發(fā)了材料高通量表征、服役行為評價(jià)技術(shù)及裝置，基于同步輻射的高通量白光陣列散/衍射技術(shù)可提高材料成分、結(jié)構(gòu)表征速率約100倍。建立了網(wǎng)絡(luò)化的材料高通量制備實(shí)驗(yàn)平臺，技術(shù)及裝備水平達(dá)到國際領(lǐng)先。面向新材料自主研發(fā)與智能發(fā)現(xiàn)的需求，研發(fā)了固液異相的自動化、數(shù)字化反應(yīng)平臺，整合了基于操作棧的硬件環(huán)境、由化學(xué)方案描述的語言層、數(shù)字化控制系統(tǒng)，可控制無人值守?cái)?shù)字化實(shí)驗(yàn)流程，為自主實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建確立基礎(chǔ)。集成移動機(jī)器人、化學(xué)工作站、智能操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以構(gòu)建數(shù)據(jù)智能驅(qū)動、覆蓋全流程的“機(jī)器化學(xué)家”平臺，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)、智能模型共同驅(qū)動的化學(xué)合成–表征–測試全流程的自主化，形成的智能研發(fā)能力可用于光催化與電催化材料、發(fā)光分子、光學(xué)薄膜材料等。（三）材料大數(shù)據(jù)技術(shù)與平臺研發(fā)了基于無模式存儲技術(shù)的材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件，建成了“數(shù)據(jù)采集–數(shù)據(jù)庫–數(shù)據(jù)挖掘–材料設(shè)計(jì)”一體化的數(shù)據(jù)庫示范平臺，用于不同層次材料數(shù)據(jù)的累積和共享?；谠萍夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)材料數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)籌管理和集中開放共享，具有物理分散、邏輯統(tǒng)一、多節(jié)點(diǎn)融合的特征。相關(guān)數(shù)據(jù)庫技術(shù)和軟件在企業(yè)、科研院所的廣泛應(yīng)用，為規(guī)?；ㄔO(shè)材料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、材料數(shù)據(jù)網(wǎng)提供了技術(shù)和軟件支撐。數(shù)據(jù)驅(qū)動的新材料研發(fā)技術(shù)發(fā)展較快，率先在高性能金屬材料、高熵合金、高溫合金等的研發(fā)上取得應(yīng)用突破，部分實(shí)現(xiàn)了工程轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。整體來看，我國材料AI應(yīng)用技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。（四）應(yīng)用成效材料基因工程、智能化技術(shù)在前沿新材料探索與發(fā)現(xiàn)方面獲得重要進(jìn)展。利用材料高通量計(jì)算和數(shù)據(jù)技術(shù)，在近4×104種材料中發(fā)現(xiàn)了8000余種拓?fù)洳牧?，超出歷史上發(fā)現(xiàn)拓?fù)洳牧蠑?shù)量的10倍。發(fā)現(xiàn)了新型無機(jī)塑性半導(dǎo)體Ag2S、InSe，研制出兼具良好塑性與優(yōu)異熱電性能的Ag2S基無機(jī)半導(dǎo)體材料，開辟了無機(jī)塑性半導(dǎo)體和無機(jī)柔性熱電器件的新方向。研發(fā)出國際上使用溫度最高、強(qiáng)度最高、具有良好熱塑成形性能的高溫塊體金屬玻璃Ir-Ni-Ta-(B)。在高端關(guān)鍵材料研發(fā)和工程化應(yīng)用方面也取得了一系列進(jìn)展?；诟咄恐苽渑c表征、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，開發(fā)了用于強(qiáng)光照明光源器件的高熱導(dǎo)率Ce:YAG熒光陶瓷，使可量產(chǎn)光源芯片的功率、光通量等指標(biāo)超過國際先進(jìn)水平。開發(fā)了高性能鈰基稀土永磁材料，形成5000噸級產(chǎn)能，促進(jìn)了高豐度稀土的平衡利用。自主研發(fā)了新型結(jié)構(gòu)分子篩催化材料，其反應(yīng)活性、選擇性超過國外同類產(chǎn)品，在超大型乙苯生產(chǎn)裝置上實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。應(yīng)用包括高通量計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)、組織性能預(yù)測、工業(yè)應(yīng)用在內(nèi)的全鏈條技術(shù)，研制了鋁基復(fù)合材料及大尺寸構(gòu)件，在重大空間裝備上實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用。材料基因工程技術(shù)加速了鈦基合金結(jié)構(gòu)件的研制過程及工程化，部分構(gòu)件率先實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。研制的耐熱腐蝕鎳基單晶高溫合金葉片應(yīng)用于國產(chǎn)重型燃?xì)廨啓C(jī)，高強(qiáng)耐熱鎂合金、艙體鑄件等通過工程試驗(yàn)考核。四、我國新材料研發(fā)智能化技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)新材料研發(fā)智能化技術(shù)的興起和發(fā)展，為我國材料科技和產(chǎn)業(yè)帶來了機(jī)遇、創(chuàng)造了條件。雖然我國在此領(lǐng)域取得了可喜進(jìn)展，部分技術(shù)甚至達(dá)到國際先進(jìn)水平，但整體來看在思想理念、關(guān)鍵技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用范圍等方面仍存在若干不足；關(guān)鍵技術(shù)、核心軟件受制于人的局面并未實(shí)質(zhì)性化解，部分新興領(lǐng)域和重要方向尚屬空白。面向材料領(lǐng)域中長期的高質(zhì)量發(fā)展要求，新材料研發(fā)智能化技術(shù)攻關(guān)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。（一）材料研發(fā)模式變革滯后于智能化技術(shù)發(fā)展在我國，傳統(tǒng)的“經(jīng)驗(yàn)+試錯”研發(fā)理念及模式仍是材料科技和產(chǎn)業(yè)的主流。針對新材料研發(fā)的戰(zhàn)略布局不明晰、資源保障缺乏穩(wěn)定性，以“智能化”為核心要素的高水平團(tuán)隊(duì)和領(lǐng)軍人才不充足，都導(dǎo)致系統(tǒng)性變革新材料研發(fā)理念及模式的條件仍不具備，材料智能化技術(shù)的綜合水平仍滯后于國際先進(jìn)。世界主要工業(yè)強(qiáng)國積極推動材料智能化發(fā)展，加速變革材料研發(fā)及應(yīng)用模式，建立了新的比較優(yōu)勢；在此背景下，我國材料行業(yè)參與國際市場競爭面臨著增量阻礙，與這些工業(yè)強(qiáng)國材料研制能力差距加大的風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。（二）材料研發(fā)智能化關(guān)鍵技術(shù)存在明顯短板我國材料計(jì)算設(shè)計(jì)關(guān)鍵軟件長期依賴進(jìn)口的局面并未打破，國產(chǎn)軟件雖有提升但差距依然存在，自主保障的能力和水平不夠。在材料數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面，碎片化、孤島化現(xiàn)象突出，數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理、共享的機(jī)制與模式不健全；加之?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)存在統(tǒng)籌規(guī)劃和部署不深入的情況，使材料計(jì)算軟件、數(shù)據(jù)資源規(guī)模等成為材料創(chuàng)新發(fā)展“短板中的短板”。具有實(shí)力、長期堅(jiān)持軟件開發(fā)及數(shù)據(jù)庫建設(shè)等基礎(chǔ)性工作的科研隊(duì)伍不夠穩(wěn)定，資源投入的連續(xù)性不足，市場化和商業(yè)化發(fā)展生態(tài)有待形成，制約了材料計(jì)算核心軟件自主研發(fā)、數(shù)據(jù)資源整合的推進(jìn)步伐，成為新的國際競爭形勢下材料領(lǐng)域發(fā)展的隱患與掣肘。（三）材料研發(fā)智能化關(guān)鍵裝備存在受制于人的風(fēng)險(xiǎn)我國材料科學(xué)研究、新材料研發(fā)所需的高端裝備較多依賴進(jìn)口。既需要高額的資金投入，也很難直接獲得國際一流的高端裝備，不利于材料科技原始創(chuàng)新和重大突破。AI技術(shù)與材料研發(fā)裝備的融合趨勢，蘊(yùn)含著新一代高端裝備的出現(xiàn)機(jī)遇以及對傳統(tǒng)技術(shù)與裝備的替代性。在此背景下，自主實(shí)驗(yàn)高端裝備、智能軟件的國際市場蓬勃發(fā)展，新的裝備市場準(zhǔn)入條件正在形成。相比之下，我國新一代高端裝備和智能軟件的市場化發(fā)展節(jié)奏較慢，若不及時(shí)加速，可能再次受制于人。（四）材料研發(fā)智能化基礎(chǔ)設(shè)施缺口嚴(yán)重工業(yè)強(qiáng)國推動材料研發(fā)智能化技術(shù)發(fā)展及工程化應(yīng)用，重在圍繞顛覆性前沿材料、智能化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)等目標(biāo)，建設(shè)國家級材料數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、“計(jì)算–實(shí)驗(yàn)–數(shù)據(jù)”技術(shù)融合且網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的創(chuàng)新中心，據(jù)此革新材料研發(fā)模式、加速新材料應(yīng)用。相比之下，我國沒有在新材料智能化研發(fā)創(chuàng)新平臺、融合創(chuàng)新中心建設(shè)等方面開展系統(tǒng)布局，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的歷史投入和新增投入均不足，不利于跨學(xué)科、有組織的協(xié)同創(chuàng)新，制約了材料智能化技術(shù)攻關(guān)和規(guī)模化應(yīng)用。五、我國新材料研發(fā)智能化技術(shù)體系的構(gòu)建途徑（一）材料智能計(jì)算設(shè)計(jì)技術(shù)與核心軟件1.面向新材料研發(fā)的計(jì)算設(shè)計(jì)技術(shù)與核心軟件發(fā)展從微觀、介觀到宏觀尺度的材料體系計(jì)算方法、算法和核心軟件，建立涵蓋原理、方法、算法、軟件、應(yīng)用的開發(fā)鏈和發(fā)展生態(tài)。研究適用于特定材料體系的計(jì)算新方法，凸顯技術(shù)特色、建立技術(shù)優(yōu)勢。開發(fā)基于AI的跨尺度計(jì)算方法，拓展跨尺度計(jì)算的應(yīng)用范圍。2.面向材料制備加工、產(chǎn)品制造、服役評價(jià)的模擬仿真技術(shù)與應(yīng)用軟件研究多物理場與材料交互作用原理，開發(fā)材料制備及加工工藝優(yōu)化、產(chǎn)品制造流程模擬、多場耦合作用材料服役行為及失效過程的計(jì)算模擬技術(shù)與應(yīng)用軟件。面向材料研發(fā)鏈、生產(chǎn)鏈、應(yīng)用鏈，按照集成計(jì)算材料工程的頂層設(shè)計(jì)和架構(gòu)設(shè)計(jì)，建立支持材料全生命周期的計(jì)算模擬系統(tǒng)。3.材料智能計(jì)算核心算法與軟件研發(fā)材料高通量計(jì)算與AI相結(jié)合的基礎(chǔ)算法及軟件，構(gòu)建功能完善的高通量智能計(jì)算系統(tǒng)。針對材料結(jié)構(gòu)和性能，開發(fā)高效計(jì)算工作流，適應(yīng)新材料設(shè)計(jì)和篩選的多樣性、專業(yè)化、高效率需求。面向新材料設(shè)計(jì)、制備、加工、服役等工程應(yīng)用以及融合AI技術(shù)的需求，發(fā)展自主設(shè)計(jì)、篩選、迭代算法，建立集成計(jì)算材料工程核心軟件和工業(yè)軟件。（二）材料自主/智能實(shí)驗(yàn)技術(shù)與高端裝置1.材料自動/自主高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)與裝置發(fā)展形態(tài)、合成工藝各異的材料高效制備新原理、新方法、新技術(shù)、新裝備，優(yōu)化高通量實(shí)驗(yàn)裝備的軟硬件功能，從原型機(jī)發(fā)展為商用裝備。發(fā)展材料自主實(shí)驗(yàn)機(jī)器人以及相關(guān)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)、材料實(shí)驗(yàn)自主決策算法與控制、復(fù)雜長流程制備及表征一體化的材料自主實(shí)驗(yàn)等技術(shù)，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)化的材料自主實(shí)驗(yàn)裝置。2.材料自動化表征技術(shù)與裝置應(yīng)用先進(jìn)光源、電子顯微技術(shù)，開發(fā)基于四維電子顯微鏡、原位透射及掃描電鏡的高通量表征技術(shù)。研發(fā)系列材料高效表征技術(shù)和裝備，具有高時(shí)間分辨表征、跨尺度動態(tài)表征、超快同步輻射高通量衍射與成像、同步輻射多場耦合高通量表征、中子衍射三維成像等能力。3.工程構(gòu)件高效表征技術(shù)與裝備基于先進(jìn)光譜、質(zhì)譜、能譜、磁探測、應(yīng)力/應(yīng)變檢測、電鏡、先進(jìn)光源等實(shí)驗(yàn)裝置，開發(fā)空間尺度覆蓋納米至米級的材料及構(gòu)件全域高通量表征技術(shù)。發(fā)展材料大尺寸全域成分–結(jié)構(gòu)–工藝–性能–服役的原位統(tǒng)計(jì)映射模型，提升材料產(chǎn)品、工程構(gòu)件的表征能力。4.極端復(fù)雜環(huán)境材料服役行為智能評價(jià)裝備發(fā)展極端復(fù)雜環(huán)境材料服役行為、失效過程的計(jì)算模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，基于數(shù)字孿生的材料服役與失效智能評價(jià)及預(yù)測技術(shù)，提升加速模擬實(shí)驗(yàn)的等效性。研發(fā)多環(huán)境因素耦合材料服役行為高效評價(jià)、損傷演化的多尺度關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提高材料服役行為評價(jià)實(shí)驗(yàn)效率和壽命預(yù)測準(zhǔn)度，加速新材料的工程化應(yīng)用。5.材料智能實(shí)驗(yàn)和操作系統(tǒng)發(fā)展材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動采集、處理分析、實(shí)時(shí)交互，設(shè)備互聯(lián)與組網(wǎng)等技術(shù)，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、模塊化調(diào)度的材料智能實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)。通過自主實(shí)驗(yàn)的互聯(lián)互通、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)材料制備–表征–評價(jià)全鏈條的自主化；通過計(jì)算–實(shí)驗(yàn)–數(shù)據(jù)的交互與融合，實(shí)現(xiàn)材料研發(fā)全流程的智能化。（三）材料AI基礎(chǔ)算法及關(guān)鍵技術(shù)1.材料機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論與核心算法研究材料多體問題計(jì)算、跨尺度關(guān)聯(lián)、多尺度耦合的機(jī)器學(xué)習(xí)理論，發(fā)展材料晶體結(jié)構(gòu)深度圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、可解釋性圖表示學(xué)習(xí)方法。研究材料多模態(tài)數(shù)據(jù)表示學(xué)習(xí)算法、材料知識推理及因果關(guān)系挖掘算法，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動的機(jī)器學(xué)習(xí)、知識驅(qū)動的符號計(jì)算相融合的新材料發(fā)現(xiàn)與知識構(gòu)建方法。2.數(shù)據(jù)驅(qū)動新材料研發(fā)通用算法與軟件發(fā)展適應(yīng)材料小樣本、高噪聲數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研發(fā)高維搜索空間和廣域探索空間內(nèi)的多目標(biāo)全域優(yōu)化技術(shù)。針對材料組織結(jié)構(gòu)圖像，研發(fā)深度學(xué)習(xí)和圖像生成/優(yōu)化的通用算法及應(yīng)用軟件。針對材料多尺度、多過程耦合的高維數(shù)據(jù)，開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)通用軟件。3.面向AI應(yīng)用的材料大數(shù)據(jù)技術(shù)研發(fā)多渠道分散采集、多時(shí)序離散存儲、多維度統(tǒng)合關(guān)聯(lián)的材料大數(shù)據(jù)采集、處理、存儲技術(shù)，多數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)融合且統(tǒng)一服務(wù)的混合云架構(gòu)，材料大數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈與多中心化管理技術(shù)。攻關(guān)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成表示技術(shù)，建立適用于AI應(yīng)用的材料數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)庫軟件，促進(jìn)材料數(shù)據(jù)資源的整合與應(yīng)用。4.材料數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)材料數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“智能計(jì)算–數(shù)據(jù)建模–自主/智能實(shí)驗(yàn)”數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)雙向交互能力。攻關(guān)材料按需設(shè)計(jì)、逆向設(shè)計(jì)、全過程綜合優(yōu)化等新興技術(shù)，以計(jì)算–實(shí)驗(yàn)–數(shù)據(jù)融合支撐材料多尺度和全過程的智能化一體設(shè)計(jì)、全流程多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。（四）智能化研發(fā)平臺與協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)1.材料計(jì)算設(shè)計(jì)平臺依托國家超級計(jì)算中心體系的計(jì)算資源，建設(shè)材料高效計(jì)算國家、區(qū)域、專業(yè)、行業(yè)平臺，自主發(fā)展材料多尺度計(jì)算、高通量計(jì)算、集成計(jì)算等材料軟件，面向計(jì)算流程優(yōu)化、計(jì)算數(shù)據(jù)分析等專門AI軟件。發(fā)展材料全流程模擬和仿真技術(shù)，覆蓋材料發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)、服役等環(huán)節(jié)；建立國家材料計(jì)算平臺網(wǎng)格共享系統(tǒng)，支持計(jì)算資源的高效共享。2.基于大科學(xué)裝置的材料高通量表征平臺依托先進(jìn)光源、散裂中子源等大科學(xué)裝置，針對材料成分及結(jié)構(gòu)的超快表征、損傷演化動態(tài)原位表征等需求，開發(fā)高時(shí)空分辨技術(shù)和裝置。研發(fā)海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高效處理、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的材料三維精準(zhǔn)成像等技術(shù)以及圖像深度學(xué)習(xí)算法及軟件，實(shí)現(xiàn)材料微觀結(jié)構(gòu)及損傷演變規(guī)律的跨時(shí)空、多維度、高效率的表征與評價(jià)。3.材料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和國家材料數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)多源異構(gòu)材料數(shù)據(jù)自動處理技術(shù)，發(fā)展數(shù)據(jù)采集、存儲、挖掘、應(yīng)用一體化的大數(shù)據(jù)云平臺技術(shù)，建設(shè)面向AI應(yīng)用的材料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。應(yīng)用區(qū)塊鏈、AI等技術(shù)，建立材料數(shù)據(jù)標(biāo)識、引用、評價(jià)、交易技術(shù)及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，形成材料數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理、共享機(jī)制。探索建立數(shù)據(jù)商業(yè)化發(fā)展模式，建設(shè)國家材料基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。4.材料研發(fā)智能化創(chuàng)新中心與協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)突破數(shù)據(jù)共享、資源共享、知識共享、任務(wù)分擔(dān)、價(jià)值分配、網(wǎng)絡(luò)互連、信息安全等方面的技術(shù)和機(jī)制瓶頸，以網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)互通材料計(jì)算設(shè)計(jì)平臺、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)支撐實(shí)現(xiàn)材料研發(fā)智能化關(guān)聯(lián)技術(shù)與人力資源的高效協(xié)同。建設(shè)材料研發(fā)智能化創(chuàng)新中心、材料智能化協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，支持團(tuán)隊(duì)化的技術(shù)協(xié)作，有組織地開展科研技術(shù)攻關(guān)。六、支撐新材料研發(fā)智能化技術(shù)體系發(fā)展的措施建議（一）完善創(chuàng)新生態(tài)并給予穩(wěn)定支持發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，采取“整體部署、分步實(shí)施、分層落實(shí)”策略，可在國家自然科學(xué)基金設(shè)立專項(xiàng)以支持基礎(chǔ)理論研究，在國家各類科技計(jì)劃中設(shè)立相應(yīng)研發(fā)專項(xiàng)以促進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在各類創(chuàng)新平臺部署智能化研發(fā)內(nèi)容以系統(tǒng)性強(qiáng)化新材料研發(fā)智能化技術(shù)應(yīng)用。探索構(gòu)建協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展模式，形成多層次協(xié)作共享、多平臺融匯貫通的生態(tài)環(huán)境。實(shí)施“國家材料基因工程計(jì)劃”，加速材料智能研發(fā)理念變革，提供持續(xù)性的資源保障，為基礎(chǔ)理論研究、共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、國家材料數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)創(chuàng)造條件。適時(shí)發(fā)布促進(jìn)新材料智能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的政策文件，支持地方參與新材料研發(fā)智能化專業(yè)技術(shù)和工程應(yīng)用平臺建設(shè)，鼓勵金融機(jī)構(gòu)和各類基金參與計(jì)算軟件、數(shù)據(jù)庫、高端裝置發(fā)展，提高新材料研發(fā)智能化的商業(yè)化水平。（二）構(gòu)建全面協(xié)同的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展環(huán)境全面布局國產(chǎn)材料核心軟件的研發(fā)工