机器学习材料性能预测与材料基因工程应用实战

news2024/12/23 16:11:27

一、背景:

传统的材料研发技术是通过实验合成表征对材料进行试错和验证,而过去的计算手段受限于算法效率,无法有效求解实际工业生产中面临的复杂问题。近几年随着大数据和人工智能介入,通过采用支持向量机、神经网络等机器学习算法训练数据集来构建模型,以预测材料的结构、吸附特性、电学特性、催化性能、力学特性和热力学特性等性能,大大推动了新型材料的发现和传统材料的更新,预测结果甚至能够达到与高保真模型基本相同的精度,且计算成本很低。然而,机器学习在材料科学中的应用仍存在一些瓶颈,人工智能研究项目所需的技能和知识匮乏缺失制约着该方向的发展。现推出《机器学习材料性能预测与材料基因工程应用实战》永久录播回放课程,具体课程通知内容如下:

教学大纲

机器学习

导论

学习目标:对机器学习基本概念进行介绍,让大家对机器学习基本概念有大致了解。明确机器学习方法的适用性,优势,以及局限性等

  • 什么是机器学习
  • 机器学习的应用实例
  • 机器学习在材料领域的应用

python语言

基础

学习目标:机器学习主流实现是python语言。学习机器学习之前,有针对性的对python进行系统的学习,以方便将来开展机器学习的学习

  • python安装与开发环境的搭建
  • 基本数据类型、组合数据类型
  • 函数、列表 、元组、字典、集合
  • 控制结构、循环结构
  • Numpy模块——矩阵的科学计算
  • Matplotlib模块——数据处理与绘图

深度学习

神经网络

学习目标:从零开始手动实现一个神经网络,在这一过程中对所涉及的原理进行系统讲解及实践,让大家能够更深刻的理解算法背后的原理以及实现方法,之后有利于对其他机器学习更全面快速掌握

  • logistic 回归与损失函数
  • 梯度下降法与导数
  • 计算图的导数计算
  • logistic 回归中的梯度下降法
  • 向量化 logistic 回归的梯度输出
  • 神经网络的梯度下降法
  • 深层网络中的前向传播
  • 深度学习框架——Pytorch的使用
  • 案例实践教学一:神经网络在催化中的应用——CO2还原

经典机器学习模型及应用

学习目标:对在材料领域中最常使用的几种机器学习模型进行介绍,总结它们的优缺点及适用范围,通过动手实践快速掌握几种方法

  • 线性模型(线性回归、梯度下降、正则化、回归的评价指标)
  • 决策树(决策树原理、ID3算法、C4.5算法、CART算法)
  • 支持向量机(线性支持向量机、可分支持向量机、不可分支持向量机)
  • 集成学习(AdaBoost和GBDT算法、XGBoost算法、LightGBM算法)
  • 模型选择与性能优化(数据清洗、特征工程、数据建模)
  • Scikit-learn机器学习库的使用
  • 案例实践教学二:利用集成学习方法预测杂化钙钛矿的带隙
  • 案例实践教学三:利用集成学习实现有机太阳能电池材料快速筛选

材料基因工程

入门与实战

学习背景:材料基因工程是当下流行的材料研究新范式,相较于传统试错方法,材料基因以大数据为基础,利用人工智能方法从中提取出关键的构效关系,摆脱了对理化直觉的强依赖及高昂的筛选成本,可以实现高效的高通量材料筛选。

学习目标:从数据库出发,对材料领域常见的数据库进行介绍,之后学习如何利用ASE,pymatgen等软件包批量构建及处理数据集,以及对材料进行特征选择。讲解常见的材料结构表示方法及编码,以及机器学习模型的评估与利用

  • 材料基因组概述、材料基因组的基本方法
  • 常见材料数据库介绍
  • Material Project数据库、Pymatgen
  • OQMD数据库、AFLOW数据库数据获取与使用
  • COMPUTATIONAL MATERIALS REPOSITORY数据库与ASE
  • 自定义材料数据集的构建
  • 材料化学的特征工程
  • 特征选择(过滤特征、包装到其他评估或集成到训练)
  • 基于sklearn的python实现
  • 案例实践教学四:(包含以下内容)
  • 团簇数据库中平均形成能最低的结构数据库的构建
  • 利用MP数据库构建同素异形体结构的mongodb数据库
  • 利用Pymatgen对原子性质进行分析
  • 利用ASE+Dscribe生成材料指纹和势函数
  • 描述符的向量化生成与特征的保存/读取,特征预处理
  • 模型性能评估(分类性能、回归性能评估、统计交叉验证)和优化
  • (拓展)学习计算材料学领域与特征选择高级相关算法:SISSO

图神经网络

入门及实践

学习目标:图神经网络是在科学领域最为火热的研究领域。由于化学结构与图论有着天然的适配性,相较于其他模型,图神经网络在材料化学领域更为擅长。在这一部分我们会对图神经网络进行系统的讲解,学习常见的图神经网络架构,实践图神经网络在部分材料中的应用

  • 图论简单入门、图神经网络概念介绍
  • 化学与材料领域经典的图神经网络架构——CGCNN与Schnet
  • 图神经网络在材料中应用的实践
  • 自定义图的实现:第三方依赖 - PyG  图卷积层:GCNConv
  • 案例实践教学五:利用图神经网络CGCNN预测无机材料的性能
  • 案例实践教学六:利用Schnet实现对分子理化性质的预测

机器学习+Science

学习目标:机器学习领域前沿内容,让大家了解最新的材料科学与机器学习领域的研究动态,同时介绍几种更为先进的机器学习算法

  • 强化学习在材料优化问题中的应用
  • 主动学习框架的在科学问题中的实现
  • 生成模型在材料设计中的应用与挑战
  • Transformer应用——以AlphaFold2为例

应用实例

包含以下内容:(可根据学员要求补充)

  • 案例实践教学七:多种机器学习模型对量子点发光材料色温的预测
  • 案例实践教学八:利用机器学习方法预测半导体材料物理性质
  • 案例实践教学九:利用多种机器学习方法对二维材料的性质预测

 不限时间,不限地点,即报即学

讲师介绍:

苏州大学博士,长期从事人工智能辅助新能源材料模拟与设计,对机器学习有四年的研究经验。熟悉XGBoots,LightGBM等多种机器学习算法和高通量计算框架,已在Angew. Chem. Int. Ed., WIREs Comput Mol Sci.等国际著名期刊发表人工智能与材料模拟论文12篇,获得国家软件著作权两项,在首届DeepModeling Hackathon中获AI赛道二等奖。

机器学习材料性能预测与材料基因工程应用实战1、凡报名学员将获得本次培训电子课件及全部案例电子资料\x0a2、凡报名缴费成功学员即可获取本次无限次回放录播课程\x0a3、课程已建立专属课程群,方便学员针对各自遇到的问题得到老师的解答与指导;\x0a4https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2NDg0MTkzMw==&mid=2247484566&idx=1&sn=f9bd2c9a7674441b8c31d6af56cdf761&chksm=ce627d34f915f422fe59e9bb47e15d89eadaeb37f268d922fe8227dde91cc2de6c296d4b01d6#rd

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