【科學網(wǎng)】“高分子版chatgpt”加速高性能材料研制

近段時間，chatgpt成為公眾關注的熱點。而在高性能高分子和復合材料產(chǎn)業(yè)領域，堪稱高分子版chatgpt的國內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)中結構性能進行數(shù)據(jù)挖掘，并集成機器學習性能預測功能、結構設計、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)和人工智能技術賦能復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)驅動材料基因工程研究

先進樹脂基復合材料在航天航空領域應用越來越廣。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，成為制約先進裝備發(fā)展的“卡脖子”問題。

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

但未來復合材料研究如何走出一條中國的發(fā)展之路？高分子樹脂結構如何設計？怎樣從分子結構的源頭去設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)技術為驅動、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。”多年探索中，林嘉平團隊的思路越來越清晰。

研究人員進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域的重要方法論。新材料研發(fā)也從科學家的經(jīng)驗“試錯”時代，跨入“智能制造”時代。挑戰(zhàn)與機遇并存，他帶領團隊牽頭承擔了系列國家重大重點項目，在國家自然科學基金委、上海市科委的支持和資助下，聯(lián)合復合材料界著名高校和科研院所，在國內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計的高分子材料基因組新方法。從“基元-結構-性能”構效關系出發(fā)，根據(jù)性能要求，設計和選取不同結構基元（基因），通過組合獲得海量候選結構，然后進行性能預測和高通量篩選，為設計先進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復合材料基體樹脂。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，力學性能與聚酰亞胺相當。相關新型樹脂已由多家機構開展復合材料及構件性能評價，解決了國家在高性能高分子材料領域的迫切需求。

較chatgpt更具技術含量

ai plus高分子軟件平臺的誕生，是ai和數(shù)字化技術同高分子材料交叉領域的重要成果。而數(shù)據(jù)庫，則是材料基因工程的基石。目前，該團隊已建成國內首個樹脂結構性能數(shù)據(jù)庫和基團間化學反應數(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種基元反應模板的近140萬條化學反應數(shù)據(jù)。

林嘉平指導團隊搭建數(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)學生文獻閱讀和科研素養(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習預測模型，構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高分子軟件平臺進行高分子材料性能預測功能時，只需要通過點擊“繪制結構”，分別將所繪制的環(huán)氧樹脂和固化劑轉化的字符串輸入對應輸入框，再通過點擊“開始預測”，短短幾秒，頁面就會返回后臺計算的環(huán)氧樹脂性能預測數(shù)據(jù)。

這種虛擬設計、高通量預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構、快速獲得其力學、熱學和介電等性能的功能。同樣是基于機器學習的軟件，ai plus較對話類的chatgpt具有更高技術含量，體現(xiàn)出我國研究人員在ai交叉領域的貢獻?！?/p>

面向新一代先進復合材料基體樹脂中的結構設計難題，華東理工大學將同相關團隊和企業(yè)開展更深入合作，推進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。