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高效的晶体结构预测( CSP )是材料科学中的一项重要挑战,其涉及在复杂的构型空间中寻找亚稳态晶体多形体的结构 - 性质关系。随着 AI 和机器学习技术的应用,特别是强化学习( RL ),在高维搜索空间中的优化过程得以提升效率和准确性,推动了材料设计和发现的新范式。这些方法不仅加速了全局最优解的发现,还有助于探索和利用局部最小值,为材料创新提供更广阔的可能性。
阿贡国家实验室纳米材料中心的 Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan 教授及其团队开发的 CASTING ,是一个针对高维搜索空间内约束满足问题( CSP )的工作流程,它采用了基于连续动作空间树的强化学习( RL )搜索算法。
该研究团队对蒙特卡洛树搜索( MCTS )算法进行了关键的算法改进,使其能够成功地应用于与结构和拓扑预测相关的连续搜索空间逆问题。
通过对 CASTING 框架的效能进行展示,此项工作将该技术应用于各种代表性系统,包括单一成分的金属系统如银( Ag )和金( Au )、共价系统如碳( C )、二元系统如氮化硼( h-BN )和碳氢化合物( C-H ),以及多组分钙钛矿系统如掺杂的镍铌氧化物( NNO )。
此外,研究还采用了多目标优化策略,对超硬碳相进行逆向设计。研究显示, CASTING 在处理复杂材料科学问题上显示出良好的扩展性、采样准确度以及快速的收敛能力。
Fig. 5 Effect of tree hyperparameter on the sampling, convergence, and solution quality of Ag polymorphs.
同时,还对不同的强化学习超参数如何影响搜索性能进行了深入探讨。 CASTING 也被用于在不同维度系统中采样稳定和亚稳态的多态性,涵盖从三维(块体)到低维系统如零维(团簇)和二维(片层)。
与其他元启发式搜索算法进行比较时,如遗传算法、盆地跳跃和随机抽样, MCTS 在解决方案的质量和收敛速度方面显示出了明显的优势。这项技术被认为特别适合于解决那些具有多重目标、多种组分和多维度的复杂搜索问题。
Fig. 7 Structural diversity of sampled Carbon(C) polymorphs using CASTING.
整体上,该研究成功地证明了强化学习技术如 MCTS 在结构和拓扑预测的逆向材料设计和发现问题中的应用潜力。 该文近期发表于 npj Computational Materials 9: 177 (2023).
Editorial Summary
原文Abstract及其翻译
A Continuous Action Space Tree search for INverse desiGn (CASTING) framework for materials discovery
(连续动作空间树搜索用于材料发现的逆向设计(
CASTING
)框架)
Suvo Banik
,
Troy Loefller
,
Sukriti Manna
,
Henry Chan
,
Srilok Srinivasan
,
Pierre Darancet
,
Alexander Hexemer
&
Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan
Abstract Material properties share an intrinsic relationship with their structural attributes, making inverse design approaches crucial for discovering new materials with desired functionalities. Reinforcement Learning (RL) approaches are emerging as powerful inverse design tools, often functioning in discrete action spaces. This constrains their application in materials design problems, which involve continuous search spaces. Here, we introduce an RL-based framework CASTING (Continuous Action Space Tree Search for inverse design), that employs a decision tree-based Monte Carlo Tree Search (MCTS) algorithm with continuous space adaptation through modified policies and sampling. Using representative examples like Silver (Ag) for metals, Carbon (C) for covalent systems, and multicomponent systems such as graphane, boron nitride, and complex correlated oxides, we showcase its accuracy, convergence speed, and scalability in materials discovery and design. Furthermore, with the inverse design of super-hard Carbon phases, we demonstrate CASTING’s utility in discovering metastable phases tailored to user-defined target properties and preferences.
摘要 材料的性能与其结构特征息息相关,这种关联性促使逆向设计成为寻找具备特定功能新材料的关键手段。最近,强化学习( RL )方法作为逆向设计的强有力工具慢慢崭露头角,通常这些方法在离散的动作空间内发挥作用。然而,这种做法限制了它们在材料设计中的应用,因为这通常涉及到连续的搜索空间。在此,我们介绍一个基于 RL 的新框架—— CASTING (连续动作空间树搜索逆向设计),它采用了一种基于决策树的蒙特卡洛树搜索( MCTS )算法,并且经过策略调整和采样改良,使其适应连续空间。我们通过一系列代表性案例,如金属中的银( Ag )、共价体系中的碳( C )、以及复合材料系统,例如石墨烯、氮化硼和复杂的相关氧化物,来展现 CASTING 框架在材料发现和设计中的高准确度、快速收敛性和良好的扩展性。此外,通过针对超硬碳相材料的逆向设计实例,我们证明了 CASTING 在探索符合用户指定目标性能和偏好的亚稳态材料方面的实用价值和有效性。
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