楊朝鑫

摘 要：參考了先前關(guān)于材料信息學(xué)的定義，查閱了多位老師的論文，認(rèn)識(shí)了材料信息學(xué)的交叉學(xué)科特點(diǎn)，簡(jiǎn)述了材料信息學(xué)的結(jié)構(gòu)和功能，小結(jié)了材料信息學(xué)在美國(guó)、歐洲以及在中國(guó)的誕生與發(fā)展歷程，結(jié)合當(dāng)前人工智能、大數(shù)據(jù)、信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)和量子計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展趨勢(shì)，得出集優(yōu)勢(shì)的材料信息學(xué)通過(guò)采用虛擬材料研發(fā)模式可以提高效率和效益的見(jiàn)解，并給出了發(fā)展該學(xué)科的建議。

關(guān)鍵詞：材料 材料學(xué) 信息學(xué) 材料信息學(xué) 人工智能

中圖分類號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（a）-000-03

材料是由化學(xué)物質(zhì)或物質(zhì)混合物構(gòu)成的物體[1，2]。材料就在我們的身邊，并且與我們的生產(chǎn)、生活密不可分，是人類進(jìn)步的里程碑[3]。隨著生產(chǎn)水平的快速提高和人們生活的日益豐富化，因此對(duì)材料的需求趨于多元化。為了滿足這些需要，材料的研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造必須提速，同時(shí)成本也要降低，材料信息學(xué)由此應(yīng)運(yùn)而生。在中國(guó)，宋慶功老師首次引入了材料信息學(xué)的概念及定義：是利用信息科學(xué)與技術(shù)對(duì)材料信息進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、加工、檢索、提取、交換、傳輸、分析、研究、應(yīng)用的學(xué)科[4]。

1 材料信息學(xué)

材料信息學(xué)是材料學(xué)和信息學(xué)的交叉學(xué)科。在信息化日益發(fā)展的時(shí)代，大量的物體得以信息化，材料也不例外。作者通過(guò)參考宋慶功、魏群義、李義春等老師的文獻(xiàn)[1，4-8]，得出認(rèn)識(shí)：材料信息學(xué)是一個(gè)新興領(lǐng)域，它所涵蓋范圍極大，其中包括了組合化學(xué)、分子模擬、材料數(shù)據(jù)管理、材料信息系統(tǒng)、人工智能和產(chǎn)品生命周期管理等分領(lǐng)域。具體到各個(gè)分領(lǐng)域來(lái)看，最近十幾年剛剛興起的組合化學(xué)已在材料合成領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，它將化學(xué)合成、組合理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、機(jī)械手充分結(jié)合，由此創(chuàng)建包含大量分子多樣性群體的化合物庫(kù)，再通過(guò)優(yōu)選獲得可能的有目標(biāo)性能的化合物結(jié)構(gòu)[9]。近年來(lái)分子模擬在材料領(lǐng)域迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用，它運(yùn)用理論方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬或仿真分子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而研究材料的結(jié)構(gòu)、性能及優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]。材料數(shù)據(jù)管理作為材料信息學(xué)的基礎(chǔ)，經(jīng)由數(shù)據(jù)庫(kù)科學(xué)地組織、存儲(chǔ)并高效地獲取、維護(hù)材料數(shù)據(jù)。材料信息系統(tǒng)和人工智能的融合如虎添翼，通過(guò)輸入、處理海量的材料數(shù)據(jù)獲得高價(jià)值的材料信息，又經(jīng)存儲(chǔ)、傳播讓這些信息長(zhǎng)存和共享并得到充分應(yīng)用。產(chǎn)品生命周期管理采用先進(jìn)的信息化思想，以最有效的方式和手段來(lái)降低材料成本而增加收益[11]。

材料信息學(xué)的橫空出世必將促進(jìn)材料學(xué)理論、技術(shù)與工程長(zhǎng)足的發(fā)展。組合化學(xué)極大地加快了化合物的合成與篩選速度，分子模擬適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化條件而避免繁瑣的計(jì)算，高完整性的海量材料數(shù)據(jù)庫(kù)將使材料設(shè)計(jì)者更加得心應(yīng)手，數(shù)字化的材料設(shè)計(jì)思想、方法、手段和智能化的信息系統(tǒng)，讓知識(shí)工作者從傳統(tǒng)繁雜的過(guò)程解脫出來(lái)，使他們有更多的時(shí)間和精力投入創(chuàng)新性工作中。

作者通過(guò)查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)[1，4-16]和整理，小結(jié)出了材料信息學(xué)的誕生與發(fā)展歷程。1995年，在美國(guó)勞倫斯-伯克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作的項(xiàng)曉東博士和Schultz P. G. 教授，首次證實(shí)了組合方法是可以用來(lái)發(fā)現(xiàn)新材料的，由此加快了組合材料學(xué)的研究步伐。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，組合材料學(xué)和高通量會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些指數(shù)增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)量是傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)難以應(yīng)對(duì)的，而信息學(xué)可以做到。這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓我們意識(shí)到：信息學(xué)為材料學(xué)提供了優(yōu)化方案，材料學(xué)為信息學(xué)提供了新的發(fā)展空間。隨后，1999年，在美國(guó)波士頓市舉行的材料信息學(xué)專題國(guó)際會(huì)議上，John R. R.學(xué)者首次提出了材料信息學(xué)（materials informatics）的概念[17]。這是第一次在文獻(xiàn)中正式提出材料信息學(xué)的概念。從此，在進(jìn)入21世紀(jì)初，材料信息學(xué)普遍得到西方發(fā)達(dá)國(guó)家的重視。一些專題國(guó)際會(huì)議相繼召開(kāi)，并且出版了論文集[18-20]。隨之而來(lái)的是相應(yīng)國(guó)家發(fā)展規(guī)劃的推出和一系列研究機(jī)構(gòu)的建立或信息平臺(tái)的建設(shè)：在美國(guó)，總統(tǒng)奧巴馬提出了材料基因組計(jì)劃，其目標(biāo)是將材料數(shù)據(jù)集成化、規(guī)范化、共享化，因此在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院成立了組合方法研究中心，并且專門針對(duì)有機(jī)聚合體建設(shè)了信息學(xué)系統(tǒng)；美國(guó)科學(xué)基金會(huì)資助建立了組合科學(xué)和材料信息學(xué)全球?qū)嶒?yàn)室，麻省理工大學(xué)資助的材料項(xiàng)目研究創(chuàng)建了材料信息數(shù)據(jù)庫(kù)，哈佛大學(xué)創(chuàng)建了分子空間數(shù)據(jù)庫(kù)，肯特州立大學(xué)建立了材料信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)通用電氣公司提出建立集成計(jì)算材料工程網(wǎng)絡(luò)，Symyx技術(shù)公司使用信息學(xué)方法開(kāi)發(fā)了協(xié)助材料組合研發(fā)的軟件（Symyx Software），Accelrys公司開(kāi)發(fā)了針對(duì)材料學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)軟件（Materials Studio）。在歐洲，德國(guó)的薩德?tīng)柼m大學(xué)建設(shè)了信息學(xué)系統(tǒng)，法國(guó)的國(guó)家科學(xué)研究中心牽頭聯(lián)合22 家單位共同促進(jìn)材料信息學(xué)的發(fā)展。緊跟世界科技進(jìn)步的步伐，中國(guó)的科技工作者積極參與探索材料信息學(xué)的發(fā)展及其應(yīng)用。在中國(guó)大陸，1999年由中國(guó)科學(xué)院資助創(chuàng)建了中國(guó)科技大學(xué)組合材料學(xué)及應(yīng)用研究室；由科技部主管的北京現(xiàn)代華清材料科技發(fā)展中心，作為國(guó)家新材料創(chuàng)新服務(wù)體系之一，開(kāi)發(fā)了國(guó)家材料信息綜合服務(wù)平臺(tái)—中國(guó)材料網(wǎng)；重慶大學(xué)開(kāi)展了材料信息標(biāo)準(zhǔn)化和材料信息學(xué)平臺(tái)研究；作為高科技企業(yè)Accelergy公司構(gòu)建了集成材料信息學(xué)平臺(tái)。應(yīng)眾多學(xué)者的提議，由《材料導(dǎo)報(bào)》雜志社主辦，開(kāi)始于2007年5月在西南交通大學(xué)舉行并專門設(shè)立了材料信息學(xué)分會(huì)場(chǎng)。材料信息學(xué)的研究如雨后春筍般應(yīng)運(yùn)而生。在谷歌學(xué)術(shù)鏡像網(wǎng)站上，作者通過(guò)輸入“materials informatics”關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索（搜索時(shí)間：2018年11月6日），結(jié)果中相關(guān)文獻(xiàn)有1680篇，數(shù)量較之前有所增加；輸入“材料信息學(xué)”關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索（搜索時(shí)間：2018年11月6日），獲得相關(guān)文獻(xiàn)有92篇。在中國(guó)知網(wǎng)上，作者通過(guò)輸入“materials informatics”關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索（檢索時(shí)間：2018年11月6日），結(jié)果中有相關(guān)文獻(xiàn)75篇，輸入“材料信息學(xué)”關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索（檢索時(shí)間：2018年11月6日），找到相關(guān)文獻(xiàn)有85篇，讓大家看到了進(jìn)步。

隨著阿爾法圍棋（AlphaGo）橫掃當(dāng)今所有的人類職業(yè)圍棋頂尖棋手，并且創(chuàng)下了舉世矚目的業(yè)績(jī)，由此人工智能成為婦孺皆知，其理論、技術(shù)、工程和應(yīng)用都有了突破性的進(jìn)展。當(dāng)前大數(shù)據(jù)的不斷涌現(xiàn)，信息系統(tǒng)的日臻成熟，物聯(lián)網(wǎng)的呼之欲出，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，所有這些優(yōu)勢(shì)都將開(kāi)啟材料信息學(xué)的新篇章。傳統(tǒng)材料研究采用“試錯(cuò)”的模式，這一模式存在致命的缺陷——低效率與高成本，一種新材料的研發(fā)往往需要10～20年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。然而，集優(yōu)勢(shì)的材料信息學(xué)可以采用虛擬材料研發(fā)模式，該模式可以有效地管理海量的材料結(jié)構(gòu)和特性數(shù)據(jù)，可用于模擬未解的現(xiàn)象，提高預(yù)測(cè)新材料的結(jié)構(gòu)與性能水平，極大地縮短了新材料和新工藝的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

2 結(jié)語(yǔ)

材料是鮮活的，是靈動(dòng)的。當(dāng)你踏足這一領(lǐng)域的時(shí)候，就會(huì)被這一領(lǐng)域的廣度和深度所震撼。21世紀(jì)的四大科學(xué)研究熱點(diǎn)分別是材料學(xué)、生命科學(xué)、人工智能和太空學(xué)。在此大環(huán)境下孕育而生的材料信息學(xué)無(wú)疑是個(gè)嬰兒，但它卻是四大學(xué)科之二的交叉學(xué)科，潛力無(wú)限。從1999年的概念提出至今，材料信息學(xué)雖沒(méi)有形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，但縱觀全局，其發(fā)展尤為可觀，而世界各國(guó)，特別是我國(guó)，想要抓住時(shí)代性機(jī)遇，發(fā)展和完善材料信息學(xué)是必須邁出的第一步。

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