在生成式人工智能（GenAI）幫助下，麻省理工和瑞士巴塞爾大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）框架，可以幫助發(fā)現(xiàn)關(guān)于材料科學(xué)的新見解。這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

當(dāng)水從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w時(shí)，它經(jīng)歷了重要的轉(zhuǎn)變性質(zhì)，如體積和密度。水的相變很常見，我們甚至沒有認(rèn)真考慮過它們，但這是一個(gè)復(fù)雜的物理系統(tǒng)。在相變過程中，在分子水平上預(yù)測(cè)材料的行為是非常復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的。

麻省理工和巴塞爾大學(xué)的研究人員利用GenAI的力量創(chuàng)建了一個(gè)新的框架，可以自動(dòng)繪制新的物理系統(tǒng)的相圖，并檢測(cè)它們之間的轉(zhuǎn)換。

長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們一直對(duì)分子水平上的相變的突然性和不可預(yù)測(cè)性感到困惑。材料及其特性的多樣性，加上稀少的科學(xué)數(shù)據(jù)，增加了挑戰(zhàn)。這一切都將隨著這個(gè)新框架的發(fā)展而改變，它標(biāo)志著新材料的發(fā)現(xiàn)和對(duì)其熱力學(xué)性質(zhì)的理解的重大飛躍。

“如果你有一個(gè)具有完全未知屬性的新系統(tǒng)，你將如何選擇研究哪個(gè)可觀測(cè)量?我們希望，至少對(duì)于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工具，可以以自動(dòng)化的方式掃描大型新系統(tǒng)，并且它將為你指出系統(tǒng)中的重要更改。這可能是自動(dòng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)新的、奇特的相特性的一個(gè)工具。” Frank Sch?fer說，他是CSAILJulia實(shí)驗(yàn)室的博士后，也是關(guān)于這種方法的論文的合著者。

參與研究的第一作者是巴塞爾大學(xué)的研究生Julian Arnold；還包括數(shù)學(xué)系應(yīng)用數(shù)學(xué)教授、Julia實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Alan Edelman；以及巴塞爾大學(xué)物理系教授、資深作者Christoph Bruder。

這項(xiàng)研究的突破使科學(xué)家們有可能發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的未知相。水從液體到固體的轉(zhuǎn)變是相變最明顯的例子。還有其他更復(fù)雜和更復(fù)雜的材料轉(zhuǎn)變，例如當(dāng)材料的電導(dǎo)率隨狀態(tài)變化而變化時(shí)。

傳統(tǒng)的科學(xué)方法依賴于對(duì)物理狀態(tài)的理論理解，并要求科學(xué)家手動(dòng)構(gòu)建相圖。這些方法有嚴(yán)重的局限性，包括無法為高度復(fù)雜的系統(tǒng)繪制相圖，人為偏差的風(fēng)險(xiǎn)，以及僅局限于對(duì)哪些參數(shù)是重要的理論假設(shè)。

來自麻省理工學(xué)院和巴塞爾大學(xué)的研究小組采用了物理學(xué)知識(shí)的GenAI模型來分析“有序參數(shù)”，這是一個(gè)可測(cè)量的量，表明了整個(gè)相變的有序程度。例如，一個(gè)有序參數(shù)可以用來定義處于有序狀態(tài)的水分子和處于無序狀態(tài)的水分子的比例。

在科學(xué)和技術(shù)計(jì)算方面的杰出表現(xiàn)而聞名的Julia編程語言在構(gòu)建新的ML模型方面發(fā)揮了重要作用。據(jù)報(bào)道，論文中發(fā)表的方法在計(jì)算效率方面優(yōu)于其他ML技術(shù)。

這項(xiàng)研究具有改變材料科學(xué)和量子物理學(xué)領(lǐng)域的潛力。新框架不僅可以用于解決物理系統(tǒng)中的分類任務(wù)，而且還可以通過確定如何微調(diào)某些參數(shù)以獲得更好的輸出，在改進(jìn)大型語言模型(LLM)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。