材料設(shè)計(jì)重大突破！微軟發(fā)布創(chuàng)新大模型，準(zhǔn)確率提升10倍！

　　微軟發(fā)布了專用于無機(jī)材料設(shè)計(jì)的創(chuàng)新大模型——MatterGen。

　　MatterGen的基礎(chǔ)架構(gòu)是基于擴(kuò)散模型，能逐步優(yōu)化原子類型、坐標(biāo)及周期晶格，從而快速生成不同類型的新型無機(jī)材料。例如，在能源領(lǐng)域，MatterGen可以生成一種全新的鋰離子電池正極材料。

　　通過對(duì)原子類型的調(diào)整，引入一些具有特殊電子結(jié)構(gòu)的過渡金屬元素，并精確確定其在晶格中的位置坐標(biāo)，可開發(fā)出獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)的晶體晶格，延續(xù)電池的續(xù)航能力與壽命。

　　相比傳統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)方法，MatterGen能將生成穩(wěn)定、獨(dú)特且新穎材料的比例提高2倍以上，并使生成結(jié)構(gòu)距離其DFT局部能量最小值近10倍之多。所以，MatterGen對(duì)于電動(dòng)車、航空航天、電子芯片等高科技領(lǐng)域幫助巨大。

　　可能很多小伙伴對(duì)這個(gè)新領(lǐng)域有點(diǎn)懵，那咱就來個(gè)簡(jiǎn)單通俗易懂的解釋。假如你想要建造一座房子，傳統(tǒng)的方法就像是從現(xiàn)有的房子設(shè)計(jì)圖中挑選，可能還不太符合我們的特殊需求。

　　現(xiàn)在用MatterGen來蓋房子，你可以直接說你想要一個(gè)五室一廳，需要一個(gè)健身房，一個(gè)電競(jìng)房，兩個(gè)小臥室，一個(gè)主臥室，最好房子外面再來一個(gè)小花園。整體房子架構(gòu)選用中式風(fēng)格，墻壁上最好加點(diǎn)龍啊~鳳啊什么的修飾一下。

　　這也就是說，MatterGen通過擴(kuò)散過程將復(fù)雜的無機(jī)材料發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行了更細(xì)化的分解生成。能根據(jù)我們給出的這些具體要求，逐步去探索和構(gòu)建最合適的材料組合與結(jié)構(gòu)布局。

　　先從原子類型入手，就像挑選不同質(zhì)地和特性的建筑材料;再精心確定這些原子在空間中的坐標(biāo)位置，精準(zhǔn)放置每一塊磚石;最后構(gòu)建出完美的周期晶格，搭建起穩(wěn)固而獨(dú)特的房屋框架。

　　其實(shí)很多網(wǎng)友看完這個(gè)也懵，請(qǐng)把我當(dāng)成5歲小孩那樣，解釋一下這個(gè)技術(shù)吧~

　　我知道AI正在改變一切，最終也會(huì)發(fā)生。但沒想到來的這么快。

　　看看它發(fā)現(xiàn)了一些驚人的超導(dǎo)體，提高了計(jì)算性能，進(jìn)而增強(qiáng)了它發(fā)現(xiàn)更多超導(dǎo)材料的能力，又進(jìn)一步提升了計(jì)算能力，如此反復(fù)……你懂的。想象一下，AI正在優(yōu)化一切。關(guān)鍵的臨界質(zhì)量已經(jīng)達(dá)成。

　　在電池單元添加劑方面可能會(huì)出現(xiàn)一場(chǎng)革命，這些添加劑近年來在該領(lǐng)域中一直被討論并需求。根據(jù)微軟提供的圖像，它看起來像是一個(gè)也可以幫助生產(chǎn)正極活性材料的模型。

　　感謝這個(gè)模型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)AGI了。

　　是時(shí)候讓AI來解決全球變暖問題了。

　　這個(gè)相當(dāng)于材料界的AlphaFold模型吧?

　　MatterGen架構(gòu)介紹

　　在MatterGen模型中，擴(kuò)散過程是生成晶體結(jié)構(gòu)的核心機(jī)制。這一過程的靈感來源于物理學(xué)中的擴(kuò)散現(xiàn)象，其中粒子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域移動(dòng)，直到達(dá)到均勻分布。在材料設(shè)計(jì)的背景下，擴(kuò)散過程被巧妙地改編為從一個(gè)完全隨機(jī)的初始狀態(tài)生成一個(gè)有序的、穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。

　　擴(kuò)散過程開始于一個(gè)隨機(jī)的初始結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)沒有任何物理意義，僅僅是原子在空間中的隨機(jī)分布。接著，MatterGen通過一系列迭代步驟，逐步減少這個(gè)初始結(jié)構(gòu)中的“噪聲”，使其逐漸接近一個(gè)真實(shí)的晶體結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程不是簡(jiǎn)單的隨機(jī)變化，而是受到物理定律和材料科學(xué)原理的嚴(yán)格指導(dǎo)。

　　在每一步迭代中，MatterGen都會(huì)對(duì)原子的類型、坐標(biāo)和晶格參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。這些微調(diào)是基于一個(gè)預(yù)定義的物理動(dòng)機(jī)分布進(jìn)行的，這意味著模型在調(diào)整原子位置和類型時(shí)，會(huì)考慮到晶體材料的實(shí)際物理特性，如原子間的鍵長(zhǎng)、鍵角以及晶格的對(duì)稱性。

　　例如，坐標(biāo)擴(kuò)散會(huì)尊重晶體的周期邊界，通過一個(gè)包裹正態(tài)分布來調(diào)整原子的位置，確保原子不會(huì)離開晶體的周期性結(jié)構(gòu)。晶格擴(kuò)散則采用對(duì)稱形式，其分布的均值是一個(gè)立方晶格，平均原子密度來自訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這樣可以確保生成的晶格結(jié)構(gòu)既穩(wěn)定又具有物理意義。

　　等變分?jǐn)?shù)網(wǎng)絡(luò)是MatterGen模型中的另一個(gè)關(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)如何從擴(kuò)散過程中恢復(fù)出原始的晶體結(jié)構(gòu)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)基于一個(gè)重要的物理原理—等變性。

　　等變性是指一個(gè)系統(tǒng)在某些變換下保持某些性質(zhì)不變的特性。在晶體材料中，這意味著材料的性質(zhì)在旋轉(zhuǎn)、平移等操作下保持不變。

　　等變分?jǐn)?shù)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的模式，能夠輸出原子類型、坐標(biāo)和晶格的等變分?jǐn)?shù)。這些分?jǐn)?shù)代表了每個(gè)原子和晶格參數(shù)在當(dāng)前結(jié)構(gòu)中的“不適配度”，即它們與理想晶體結(jié)構(gòu)的偏差。

　　網(wǎng)絡(luò)通過計(jì)算這些分?jǐn)?shù)，指導(dǎo)模型如何調(diào)整原子和晶格參數(shù)，以減少結(jié)構(gòu)中的噪聲，使其更接近一個(gè)穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，也是MatterGen能提升準(zhǔn)確、理想率的重要原因之一。

　　為了增加模型的靈活性，MatterGen加入了適配器模塊能夠針對(duì)不同的下游任務(wù)進(jìn)行微調(diào)，可以根據(jù)給定的性質(zhì)標(biāo)簽改變模型的輸出。(就是我們那個(gè)案例說的量身定制功能)

　　適配器在模型的每一層中都引入了一個(gè)額外的參數(shù)集，這些參數(shù)可以根據(jù)任務(wù)特定的性質(zhì)標(biāo)簽進(jìn)行調(diào)整。在微調(diào)過程中，這些參數(shù)會(huì)被優(yōu)化，以使模型生成的結(jié)構(gòu)更好地滿足特定任務(wù)的要求。這種設(shè)計(jì)不僅提高了模型的適應(yīng)性，還減少了微調(diào)所需的標(biāo)記數(shù)據(jù)量，因?yàn)槟Ｐ筒恍枰獜念^學(xué)習(xí)每個(gè)任務(wù)的特性，而是可以在預(yù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。

　　例如，在設(shè)計(jì)一種新型的電池材料時(shí)，可能需要模型關(guān)注材料的電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散率;而在設(shè)計(jì)一種新型的催化劑時(shí)，則可能需要模型關(guān)注材料的表面活性和選擇性。適配器模塊使得模型能夠根據(jù)這些不同的需求，調(diào)整其生成結(jié)構(gòu)的策略。

　　目前，微軟已經(jīng)把該研究發(fā)布在了《Nature》上，并且得到了眾多科技大咖的認(rèn)可。可以比肩谷歌在去年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的蛋白質(zhì)預(yù)測(cè)模型AlphaFold系列。