【科學(xué)網(wǎng)】“高分子版chatgpt”加速高性能材料研制

近段時間，chatgpt成為公眾關(guān)注的熱點。而在高性能高分子和復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，堪稱高分子版chatgpt的國內(nèi)首個高分子材料基因組研發(fā)平臺（ai plus高分子軟件平臺）在滬誕生。

3月9日，華東理工大學(xué)教授林嘉平團隊宣布開發(fā)出ai plus高分子軟件平臺，通過對高分子材料研發(fā)中結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并集成機器學(xué)習(xí)性能預(yù)測功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計、配方及工藝參數(shù)優(yōu)化等功能，可加速高性能高分子材料研發(fā)，推動大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)賦能復(fù)合材料用高性能樹脂產(chǎn)業(yè)。

軟件平臺截圖。 受訪者供圖

大數(shù)據(jù)驅(qū)動材料基因工程研究

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。近年來，碳纖維材料研究在多方支持下已取得突破，然而匹配高性能碳纖維的基體樹脂卻發(fā)展緩慢，成為制約先進(jìn)裝備發(fā)展的“卡脖子”問題。

華東理工大學(xué)在高分子材料，尤其是特種樹脂研究方面具有深厚基礎(chǔ)和研究特色。相關(guān)團隊在本世紀(jì)初就開始耐高溫、耐燒蝕的高性能樹脂及復(fù)合材料研究，并取得了豐碩成果，獲國家科技發(fā)明獎二等獎、國家科技進(jìn)步獎二等獎。

但未來復(fù)合材料研究如何走出一條中國的發(fā)展之路？高分子樹脂結(jié)構(gòu)如何設(shè)計？怎樣從分子結(jié)構(gòu)的源頭去設(shè)計滿足需求的新樹脂等，依然是林嘉平經(jīng)常思考的問題。

“開展以大數(shù)據(jù)技術(shù)為驅(qū)動、以ai為核心的高分子材料基因工程研究，可為解決這些難題提供有效手段，加速新材料的研發(fā)步伐?！倍嗄晏剿髦?，林嘉平團隊的思路越來越清晰。

研究人員進(jìn)行高性能聚合物性能測試。 受訪者供圖

2011年，材料基因組工程被正式提出，并逐漸成為材料研究前沿領(lǐng)域的重要方法論。新材料研發(fā)也從科學(xué)家的經(jīng)驗“試錯”時代，跨入“智能制造”時代。挑戰(zhàn)與機遇并存，他帶領(lǐng)團隊牽頭承擔(dān)了系列國家重大重點項目，在國家自然科學(xué)基金委、上海市科委的支持和資助下，聯(lián)合復(fù)合材料界著名高校和科研院所，在國內(nèi)率先開展了高分子材料基因工程研究。

基因組合及篩選是材料基因工程的核心，團隊目前已建立了針對耐高溫樹脂設(shè)計的高分子材料基因組新方法。從“基元-結(jié)構(gòu)-性能”構(gòu)效關(guān)系出發(fā)，根據(jù)性能要求，設(shè)計和選取不同結(jié)構(gòu)基元（基因），通過組合獲得海量候選結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行性能預(yù)測和高通量篩選，為設(shè)計先進(jìn)高分子材料提供了有效途徑。

運用該方法，團隊研制了系列先進(jìn)復(fù)合材料基體樹脂。如固化溫度小于300 ℃、5%熱分解溫度大于650 ℃、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于600 ℃的新型耐高溫、易加工硅萘炔和硅芴炔樹脂；耐高溫、高韌性的新型聚硅炔酰亞胺樹脂，其加工性能、耐熱和界面性能優(yōu)于聚酰亞胺，力學(xué)性能與聚酰亞胺相當(dāng)。相關(guān)新型樹脂已由多家機構(gòu)開展復(fù)合材料及構(gòu)件性能評價，解決了國家在高性能高分子材料領(lǐng)域的迫切需求。

較chatgpt更具技術(shù)含量

ai plus高分子軟件平臺的誕生，是ai和數(shù)字化技術(shù)同高分子材料交叉領(lǐng)域的重要成果。而數(shù)據(jù)庫，則是材料基因工程的基石。目前，該團隊已建成國內(nèi)首個樹脂結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫和基團間化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫，包含3萬多種聚合物將近15萬條性能數(shù)據(jù)、58516種基元反應(yīng)模板的近140萬條化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)。

林嘉平指導(dǎo)團隊搭建數(shù)據(jù)庫和軟件平臺。 受訪者供圖

值得一提的是，這些數(shù)據(jù)主要依靠過去3年，團隊數(shù)十名研究生和本科生整理錄入。該團隊在培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)閱讀和科研素養(yǎng)的同時，以一條條規(guī)范數(shù)據(jù)，搭建起國內(nèi)首個高分子專用數(shù)據(jù)庫。

基于數(shù)據(jù)庫，團隊創(chuàng)建了十余種面向高分子性能的機器學(xué)習(xí)預(yù)測模型，構(gòu)建了高分子材料基因組研發(fā)平臺，具備數(shù)據(jù)檢索、性能預(yù)測、配方優(yōu)化等多種功能。

在該軟件平臺上，用戶在使用ai plus高分子軟件平臺進(jìn)行高分子材料性能預(yù)測功能時，只需要通過點擊“繪制結(jié)構(gòu)”，分別將所繪制的環(huán)氧樹脂和固化劑轉(zhuǎn)化的字符串輸入對應(yīng)輸入框，再通過點擊“開始預(yù)測”，短短幾秒，頁面就會返回后臺計算的環(huán)氧樹脂性能預(yù)測數(shù)據(jù)。

這種虛擬設(shè)計、高通量預(yù)測方法將大大提高其研發(fā)效率。

“ai plus高分子軟件平臺目前已在上海華誼集團樹脂廠、上海航天八院、晉飛碳纖科技和金山石化院等企業(yè)試用，將擇機向社會公開使用?！绷旨纹秸f，“該軟件具有輸入樹脂結(jié)構(gòu)、快速獲得其力學(xué)、熱學(xué)和介電等性能的功能。同樣是基于機器學(xué)習(xí)的軟件，ai plus較對話類的chatgpt具有更高技術(shù)含量，體現(xiàn)出我國研究人員在ai交叉領(lǐng)域的貢獻(xiàn)?！?/p>

面向新一代先進(jìn)復(fù)合材料基體樹脂中的結(jié)構(gòu)設(shè)計難題，華東理工大學(xué)將同相關(guān)團隊和企業(yè)開展更深入合作，推進(jìn)ai plus高分子研究范式向產(chǎn)業(yè)全鏈條發(fā)展，實現(xiàn)高性能高分子，尤其是“卡脖子”高分子材料的原始創(chuàng)新和智能制造。