能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)信息預(yù)測(cè)材料的失效，對(duì)于設(shè)備和組件的監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)具有巨大實(shí)際意義和工業(yè)相關(guān)性的基本問(wèn)題。由于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的最新進(jìn)展，即使是對(duì)非常無(wú)序的固體也可以進(jìn)行準(zhǔn)確的失效預(yù)測(cè)，但在此過(guò)程中使用的參數(shù)的數(shù)量，使得對(duì)結(jié)果的物理解釋變成不可能。

在此，來(lái)自意大利米蘭大學(xué)的Stefano Zapperi等研究者解決了上述這個(gè)問(wèn)題，從其初始未變形的結(jié)構(gòu)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)預(yù)測(cè)模擬了二維二氧化硅玻璃的失效。相關(guān)論文以題為“Predicting the failure of two-dimensional silica glasses”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30530-1

基于結(jié)構(gòu)信息預(yù)測(cè)材料失效，是材料科學(xué)與工程的核心挑戰(zhàn)。在無(wú)序固體的情況下，這個(gè)問(wèn)題尤其棘手，因?yàn)閮?nèi)部的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，阻礙了對(duì)孤立缺陷的直接識(shí)別，而這些缺陷可能成為裂紋形核的種子。在玻璃理想化模型的分子動(dòng)力學(xué)模擬的指導(dǎo)下，定義經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)指標(biāo)并通過(guò)相關(guān)分析評(píng)估其預(yù)測(cè)價(jià)值是可能的，但使用它們來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)的無(wú)序固體，如二氧化硅玻璃或聚合物網(wǎng)絡(luò)，是極具挑戰(zhàn)性的?，F(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)方法，為基于結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)的系統(tǒng)發(fā)展，提供了一個(gè)有前途的替代途徑，這已經(jīng)在分子特性、密度泛函理論、力場(chǎng)、動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的控制方程以及晶體塑性的流動(dòng)和位錯(cuò)模型中得到了證明。到目前為止，玻璃的應(yīng)用僅限于理想化的模型，即所謂的Lennard-Jones玻璃，可通過(guò)支持向量機(jī)(SVM)、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GNN)和深度學(xué)習(xí)對(duì)其進(jìn)行分析?；谏疃葘W(xué)習(xí)方法的預(yù)測(cè)正變得越來(lái)越準(zhǔn)確，但它們也很難解釋。在玻璃的背景下，這意味著盡管深度學(xué)習(xí)可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料何時(shí)會(huì)失效，但失效的結(jié)構(gòu)決定因素往往仍不明確。

二維硅玻璃，通過(guò)在石墨烯襯底上沉積SiO2分子的單層雙分子層首次被觀察到，可能提供了無(wú)序固體的最簡(jiǎn)單的例子。電子顯微鏡或原子力顯微鏡可以直接觀察到其原子結(jié)構(gòu)和缺陷動(dòng)力學(xué)，而分子動(dòng)力學(xué)模擬可以精確地再現(xiàn)其結(jié)構(gòu)特征和研究其力學(xué)性能。

圖1 系統(tǒng)原理圖和算法

在此，研究者通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法分析了二維石英玻璃的結(jié)構(gòu)和失效行為，并說(shuō)明了如何在保持結(jié)果的定性可解釋性的情況下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的失效預(yù)測(cè)。這要?dú)w功于梯度加權(quán)類激活映射(Gradient-weighted Class Activation Mapping, Grad-CAM)的使用，它允許人們?cè)谶M(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)可視化深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注點(diǎn)(見圖1)。然后，研究者利用梯度加權(quán)類激活映射Grad-CAM，來(lái)構(gòu)建與預(yù)測(cè)相關(guān)的注意力映射，并證明這些映射可以根據(jù)拓?fù)淙毕莺途植縿?shì)能進(jìn)行物理解釋。研究者表明，他們的預(yù)測(cè)可以轉(zhuǎn)移到與訓(xùn)練中使用的不同形狀或大小的樣本，以及實(shí)驗(yàn)圖像。該策略說(shuō)明了通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如何為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)構(gòu)的行為提供可解釋的預(yù)測(cè)。

圖2 二氧化硅樣品的過(guò)濾

圖3 機(jī)器學(xué)習(xí)將局部混亂和全局混亂分類

圖4 機(jī)器學(xué)習(xí)可以預(yù)測(cè)斷裂應(yīng)變

圖5 機(jī)器學(xué)習(xí)可以預(yù)測(cè)破裂的位置

圖6 將學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)移到處理更大的樣本和實(shí)際實(shí)驗(yàn)

綜上所述，研究者利用不同的機(jī)器學(xué)習(xí)策略來(lái)預(yù)測(cè)硅玻璃的失效行為。該結(jié)果突出了常用的原子級(jí)局部模型的局限性，在斷裂的情況下不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的假陽(yáng)性預(yù)測(cè)，但在算法的可擴(kuò)展性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)?；谌謭D像的模型提供了可靠的預(yù)測(cè)，得益于Grad-CAM地圖，研究者可以直觀地檢查失效的結(jié)構(gòu)決定因素，并將它們與原子微觀結(jié)構(gòu)的物理和拓?fù)涮卣髀?lián)系起來(lái)。

這可能為未來(lái)混合多尺度模擬方案鋪平道路，該方案結(jié)合了數(shù)值效率和高精度：先驗(yàn)識(shí)別樣本中需要物理準(zhǔn)確描述的區(qū)域(這里是破裂部位和破裂路徑)的能力允許使用混合模擬方案，將這種準(zhǔn)確的描述與樣本其余部分的粗糙描述結(jié)合起來(lái)，比如在不影響數(shù)值精度的情況下顯著降低數(shù)值成本。

審核編輯 ：李倩