报告 2020-06-29 08:06

研究报告:材料信息学2020-2030

陈济桁 摘自 IDTechEx官网

据IDTechEx官网2020年6月刊文,材料信息学(MI)是利用以数据为核心的方法进行材料科学研发。目前已经采用了多种战略性研究方法,并且已经有一些成功案例。材料信息学的方法目前正在应用,若不使用这种研究方法,未来研发新材料的成本巨大。

IDTechEx于近期发布关于材料信息学的研究报告,提供了这一新兴领域的关键知识和商业前景。通过对技术人员的访谈、读者将对参与者、业务规模、技术和应用领域有更加详细的了解。这份市场调研报告发布的内容是材料信息学近年来的发展成果以及对未来10年的展望。

什么是材料信息学?

材料信息学是使用以数据为中心的方法,来促进材料科学的发展的一门学科,它可采取多种形式,影响材料研发的各个环节(试验假设-数据处理和获取-数据分析-信息提取)。

首先,材料信息学(MI)基于使用数据基础结构,并利用机器学习解决方案来设计新材料,发现在特定应用领域或结构中的材料以及优化其处理方式的集成系统。

材料信息学(MI)可以加快材料创新的“正向”前进——即不断突破传统材料的性能极限,但更理想的解决方案是实现材料的“逆向”设计——即根据系统的使用需求,创造具有特定功能的材料。

目前材料信息学的研究方法还处于初级阶段。在多数情况下,由于数据基础架构并不全面,且对于给定的实验数据,材料信息学的算法还不够成熟。材料信息学所面临的挑战,与其他AI主导领域(例如自动驾驶汽车或社交网络)不同,材料信息学通常需要处理更加稀疏、高维、有偏差和复杂干扰性大的数据。利用各领域的基础知识则是大多数方法的重要组成部分。

与某些分析人士的看法恰恰相反,材料信息学不会取代现在的材料科研工作者。如果能够正确使用,材料信息学将成为加速材料研发过程的一组使能技术。对于许多人来说,材料研发这一过程理想的终极目标是让人们只需要监督一个自动化运行的材实验室。尽管仍处于早期发展阶段,但材料信息学的发展促进了一些关键技术的改进,同时也成立了独立的初创公司,并产生了成功案例。

为什么现在开始积极投入到材料信息学的研究中?

材料信息学并不是一个全新研究方法,几十年来许多领域都采用了类似的研究方法。这一具有变革性的研究手段目前能够有效影响材料科学领域的主要原因有三个:

- 来自其他领域的AI驱动解决方案已经逐步该井;

- 数据基础架构的改进,从开放访问数据存储库到基于云的研究平台;

- 意识的改变、教育的提升以及创新的需求驱动。

IDTechEx将报告将目前使用材料信息学开展的项目分为六个主要类别。其中,在材料研发过程中采用先进的机器学习技术,具有三个明显的优势:增强对候选材料范围和研究领域的筛选,减少开发新材料、寻找新材料和相互关系的试错实验数量(从而缩短新材料问世时间);机器学习所需的训练数据可以基于内部试验、计算模拟和/或来自外部数据存储库;增强的实验室信息以及高通量实验或计算,可以集成应用到许多项目中。

该报告研究了材料信息学利用机器学习技术的重要进展、成功案例以及终端用户如何积极参与其中。

目前存在哪些研究方法?

对于任何设计材料或使用材料进行设计的公司,忽略这种利用材料信息学进行研发的方式,都将是巨大的失误。影响虽然不会立即显现,但从中长期来看,错失的机会将是巨大的。材料信息学的发展和应用,将有利于尽快将具有竞争力的新产品推向市场,同时带动供应链发展,延展出无限可能性,寻找开发下一代材料的机会。对企业自身来说,材料信息学的广泛应用还将带来使业务部门或材料组合多样化的能力。

许多参与其中的科研机构已经通过三种主要方法,开始采用材料信息学:完全仰仗公司内部研发能力自主运营;与外部公司合作运营;作为某个联合团队的一部分联合开展运营。

报告中详细评估了上述的三种方法;选择开始采用材料信息学很重要,选择正确研究路径也同等重要。

来自外部的材料信息学服务供应商可以来自许多起点。材料信息学服务提供商可以选择成为拥有强大先进材料产品组合并备受认可的公司的合作伙伴,还可以选择最终用户提供材料信息学作为服务。从地域分步上看,利用这一技术最终用户最多的是日本公司,许多新兴的外部企业来自美国,最著名的联合资助团队和学术实验室也大都分布在日本和美国。

哪些应用领域成功使用了这项技术?

有机电子产品、电池成分、增材制造合金、聚氨酯配方和纳米材料的开发都是材料信息学直接影响的领域。材料用例范围广泛,这意味着材料信息学从电子制造商到化工企业都可以看到广泛的工业应用前景。

在应用材料信息学过程中普遍存在挑战,但是每个应用领域都会有具体的应用考量,包括现有数据的可用性、领域知识的系统性、结构-属性关系的复杂性等等。

这份报告的最后部分依次详细介绍了每个应用领域,重点介绍了主要研发、商业用例和比较著名出版文献、论文等成果。

(欢迎转载,转载请标明引自“航空工业信息网”)

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