领先人类 800 年?DeepMind 发布 GNoME,利用深度学习预测 220 万种新晶体

GNoME用图神经网络预测220万晶体结构:材料AI的潜力与边界 晶体结构预测是材料研发的核心环节,传统试错法成本高、周期长。借助图神经网络和主动学习,AI模型可从海量候选结构中快速筛选稳定相,并结合密度泛函理论(DFT)验证,大幅扩展新材料搜索空间。这种“AI预测+高精度计算”的范式已在锂电池材料、超离子导体、催化剂等领域展现潜力。DeepMind的GNoME模型正是该方向的代表性工作,它利用公开材料数据库训练,批量预测出220万个候选结构,其中数十万个被判定为热力学稳定。理解其原理与验证流程,有助于研究者在实际项目中合理应用AI工具,平衡效率与可靠性。 阅读详情

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By 超神经

AI 工具 GNoME 发现 220 万种新晶体,相当于人类科学家 800 年的实验产出,其中 38 万种新晶体可以成为未来高新技术的稳定材料。

从计算机芯片、电池到太阳能电池板,都离不开结构稳定的无机晶体 (inorganic crystals)。

传统意义上,发现或者研发一种全新的稳定的无机晶体,往往需要长达数月的艰苦实验。如今借助 Google DeepMind 发布的深度学习工具 GNoME,科研人员在短时间内就发现了 220 万种新晶体(相当于人类科学家近 800 年的知识积累),其中 38 万种新晶体具备稳定的结构,成为最有可能通过实验合成并投入使用的潜在新材料。

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阅读论文原文:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06735-9

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GNoME:用于新材料研发的 SOTA GNN 模型

GNoME 全称  Graph Networks for Materials Exploration,是一个用于新材料研发的 SOTA GNN 模型,它利用深度学习,可以在极短时间内预测新材料的稳定性,极大提高了材料研发的速度和效率,展现了利用 AI 大规模开发新材料的潜力。

注:GNN 的输入数据采用 graph 形式,跟原子之间的连接类似,这一特性也使得 GNN 特别适用于新晶体材料的探索。

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GNoME 流程示意图

GNoME 流程可分为 4 个步骤:

* Structural pipeline:创建与已知晶体结构类似的候选者 (Candidate)

* Compositional pipeline:遵循基于化学公式的更随机的方法

* 使用 DFT 计算(密度泛函理论,Density Functional Theory)对两个 pipeline 的 output 进行评估

* 将评估结果添加到 GNoME 数据库中,为下一轮的主动学习提供信息

其中前两个步骤,主要目的是确定低能量(稳定)材料,第三个步骤中的 DFT 技术,用于反复测试模型性能,最后一个步骤中主动学习 (active learning) 策略的应用,则极大地提高了 GNoME 的性能。

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数据选择:前人肩膀上的数据集快照

在数据的选择上,科研人员特别借鉴了先前的研究成果,包括 Materials Project、OQMD、WBM 以及 ICSD。

为了保证可复现,GNoME 使用了固定时间点保存的两个数据集的快照,包含:

* Materials Project  2021 年 3 月的数据

* OQMD 2021 年 6 月的数据

以上两部分结构被用作所有发现(包括通过 SAPS)的基础,并通过 GNoME 生成了稳定晶体目录。

为了对更新数据进行比较,2023 年 7 月科研人员对 Materials Project、OQMD 和 WBM 又进行了另一次快照。在同样的设置下进行了约 216,000 次 DFT 计算,用于比较 GNoME 的发现率与同时进行的研究工作的发现率。

过往工作成果参考:

* Materials Project:https://next-gen.materialsproject.org/

* OQMD:https://oqmd.org/

* WBM:https://www.nature.com/articles/s41524-020-00481-6

* ICSD:https://icsd.products.fiz-karlsruhe.de/

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实验结果

GNoME 将已知稳定晶体的数量提升近 8 倍

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已知稳定晶体的数量变化

上图由内到外展示了:

* ICSD 数据库中,通过人类实验确定的稳定晶体数量约为 20,000 个

* Materials Project、Open Quantum Materials Database 以及 WBM 数据库的计算方法,将稳定晶体数量增加至 48,000 个

* GNoME 将人类已知的稳定材料数量增加至 421,000 个

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2019-2022 年发现稳定材料的数量

浅色表示外部数据库,深色表示 GNoME 结果

2021 年至 2023 年,GNoME 以外的稳定晶体数量从 35,000 个增加到 48,000 个,与本文介绍的凸包 (convex hull) 上的 381,000 个全新稳定晶体结构相比,数量悬殊。

实验结果表明,GNoME 模型发现了 220+ 万种新晶体,更新后的凸包 (convex hull) 包含 381,000 万个新条目,结合先前研究,稳定晶体数数量达到 421,000 个,与先前的研究成果 48,000 相比,稳定晶体的数量有了数量级的扩展。

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行业专家:国内代表学者梳理

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雷鸣(教授、博导)

北京邮电大学

信息光子学与光通信国家重点实验室

研究方向:无机光电功能纳米材料及相关光电特性、能量存储与转换材料与器件、新型异质纳米结构光催化剂、有机分子材料与场效应晶体管

个人页面:

https://kyy.bupt.edu.cn/info/1136/3409.htm

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詹义强(教授、博导)

复旦大学信息科学与工程学院

有机无机杂化电子课题组

研究方向:有机或有机无机杂化薄膜太阳能电池研究、基于有机半导体或无机纳米材料的新型柔性电子器件研究、新型智能传感器应用研究、新型忆阻器及其神经网络应用研究

个人页面:

http://www.it.fudan.edu.cn/Data/View/1150

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刘淼(研究员)

中国科学院物理研究所

研究方向:原子尺度探索物质原理、数据驱动的材料科学方法、人工智能+材料科学、机器人材料科学家

个人页面:

https://edu.iphy.ac.cn/moreintro.php?id=3190

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王宗国(硕导,副研究员)

中国科学院大学

中国科学院计算机网络信息中心

研究方向:计算机应用技术、计算机技术、材料信息学与计算材料学、机器学习

个人页面:

https://people.ucas.ac.cn/~0070145

—— 完 ——

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AI预测38万稳定晶体结构,GNoME如何重塑材料研发范式 在材料科学领域,晶体结构决定了材料的导电性、硬度、储能等核心性质,而传统DFT计算筛选候选结构往往耗时长、成本高。近年来,图神经网络技术的成熟为材料探索提供了新路径,主动学习策略也有效降低了高精度验证的计算负担。GNoME利用图网络编码原子间的化学环境,将大规模晶体候选的稳定性预测变为可能,并成功将已知稳定无机晶体的数量从4.8万提升至约38万,覆盖了此前未被开发的新化学空间。这项技术可应用在电池固态电解质、热电材料、催化剂等无机晶体的高通量筛选场景中,让科研人员从更庞大的候选池出发,结合DFT精算与自动化 阅读详情

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深度学习工具包Deprecation notice.-----This toolbox is outdated and no longer maintained.There are much better tools available for deep learning than this toolbox, e.g. [Theano](http://deeplearning.net/software/theano/), [torch](http://torch.ch/) or [tensorflow](http://www.tensorflow.org/)I would suggest you use one of the tools mentioned above rather than use this toolbox.Best, Rasmus.DeepLearnToolbox================A Matlab toolbox for Deep Learning.Deep Learning is a new subfield of machine learning that focuses on learning deep hierarchical models of data.It is inspired by the human brain's apparent deep (layered, hierarchical) architecture.A good overview of the theory of Deep Learning theory is[Learning Deep Architectures for AI](http://www.iro.umontreal.ca/~bengioy/papers/ftml_book.pdf)For a more informal introduction, see the following videos by Geoffrey Hinton and Andrew Ng.* [The Next Generation of Neural Networks](http://www.youtube.com/watch?v=AyzOUbkUf3M) (Hinton, 2007)* [Recent Developments in Deep Learning](http://www.youtube.com/watch?v=VdIURAu1-aU) (Hinton, 2010)* [Unsupervised Feature Learning and Deep Learning](http://www.youtube.com/watch?v=ZmNOAtZIgIk) (Ng, 2011)If you use this toolbox in your research please cite [Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data](http://www2.imm.dtu.dk/pubdb/views/publication_details.php?id=6284)```@MASTERSTHESIS\{IMM2012-06284, author = "R. B. Palm", title = "Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data", year = "2012",}```Contact: rasmusbergpalm at gmail dot comDirectories included in the toolbox-----------------------------------`NN/` - A library for Feedforward Backpropagation Neural Networks`CNN/` - A library for Convolutional Neural Networks`DBN/` - A library for Deep Belief Networks`SAE/` - A library for Stacked Auto-Encoders`CAE/` - A library for Convolutional Auto-Encoders`util/` - Utility functions used by the libraries`data/` - Data used by the examples`tests/` - unit tests to verify toolbox is workingFor references on each library check REFS.mdSetup-----1. Download.2. addpath(genpath('DeepLearnToolbox'));Example: Deep Belief Network---------------------```matlabfunction test_example_DBNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit RBM and visualize its weightsrand('state',0)dbn.sizes = [100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);figure; visualize(dbn.rbm{1}.W'); % Visualize the RBM weights%% ex2 train a 100-100 hidden unit DBN and use its weights to initialize a NNrand('state',0)%train dbndbn.sizes = [100 100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);%unfold dbn to nnnn = dbnunfoldtonn(dbn, 10);nn.activation_function = 'sigm';%train nnopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.10, 'Too big error');```Example: Stacked Auto-Encoders---------------------```matlabfunction test_example_SAEload mnist_uint8;train_x = double(train_x)/255;test_x = double(test_x)/255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit SDAE and use it to initialize a FFNN% Setup and train a stacked denoising autoencoder (SDAE)rand('state',0)sae = saesetup([784 100]);sae.ae{1}.activation_function = 'sigm';sae.ae{1}.learningRate = 1;sae.ae{1}.inputZeroMaskedFraction = 0.5;opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;sae = saetrain(sae, train_x, opts);visualize(sae.ae{1}.W{1}(:,2:end)')% Use the SDAE to initialize a FFNNnn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm';nn.learningRate = 1;nn.W{1} = sae.ae{1}.W{1};% Train the FFNNopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.16, 'Too big error');```Example: Convolutional Neural Nets---------------------```matlabfunction test_example_CNNload mnist_uint8;train_x = double(reshape(train_x',28,28,60000))/255;test_x = double(reshape(test_x',28,28,10000))/255;train_y = double(train_y');test_y = double(test_y');%% ex1 Train a 6c-2s-12c-2s Convolutional neural network %will run 1 epoch in about 200 second and get around 11% error. %With 100 epochs you'll get around 1.2% errorrand('state',0)cnn.layers = { struct('type', 'i') %input layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 6, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %sub sampling layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 12, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %subsampling layer};cnn = cnnsetup(cnn, train_x, train_y);opts.alpha = 1;opts.batchsize = 50;opts.numepochs = 1;cnn = cnntrain(cnn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = cnntest(cnn, test_x, test_y);%plot mean squared errorfigure; plot(cnn.rL);assert(er<0.12, 'Too big error');```Example: Neural Networks---------------------```matlabfunction test_example_NNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);% normalize[train_x, mu, sigma] = zscore(train_x);test_x = normalize(test_x, mu, sigma);%% ex1 vanilla neural netrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samples[nn, L] = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.08, 'Too big error');%% ex2 neural net with L2 weight decayrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.weightPenaltyL2 = 1e-4; % L2 weight decayopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex3 neural net with dropoutrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.dropoutFraction = 0.5; % Dropout fraction opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex4 neural net with sigmoid activation functionrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm'; % Sigmoid activation functionnn.learningRate = 1; % Sigm require a lower learning rateopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex5 plotting functionalityrand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]);opts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through datann.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex6 neural net with sigmoid activation and plotting of validation and training error% split training data into training and validation datavx = train_x(1:10000,:);tx = train_x(10001:end,:);vy = train_y(1:10000,:);ty = train_y(10001:end,:);rand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]); nn.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, tx, ty, opts, vx, vy); % nntrain takes validation set as last two arguments (optionally)[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');```[![Bitdeli Badge](https://d2weczhvl823v0.cloudfront.net/rasmusbergpalm/deeplearntoolbox/trend.png)](https://bitdeli.com/free "Bitdeli Badge")

【ScienceAI Weekly】IBM新AI芯片提效25倍;清华大学发AI辅助框架;DeepMind新工具预测220万新晶体...

「ScienceAI Weekly」是 HyperAI 超神经新创建的半月更栏目,主要从科研成果、企业动态、工具资源、近期活动 4 个维度,收集呈现 ScienceAI 领域近期值得关注的最新动态,以期为长期关注该领域的从业者、爱好者,提供更有价值的圈内资讯和行业启示。一起来看看本期值得关注的 ScienceAI 进展吧!科研成果GaUDI:用于逆向分子设计的引导扩散模型* 标题:Guided d...

HyperAI超神经 1207

C# WinForm 基于DirectShow.dll编写的程序,可边预览边保存视频,音频和图片

基于微软的DirectShow.dll的二次开发1.自动识别连接的摄像头跟麦克风且可以对其进行选择(默认选中第一个)2.可录制wmv和avi两种格式的视频并且都带有音频,avi可以录制的分辨率和帧数进行选择,wmv默认进行了淸晰度优化如不喜欢可去除代码中有相关提示3.可在预览点开之后进行拍照,也可边录制视频边拍照4.添加了视频和音频的压缩功能(酌情使用)这次二次开发发现C#对DirectShow的相关信息太少,这次做完也不敢藏私共享出来,还望大家指正

GNoME与图神经网络:AI如何将晶体结构预测带入材料信息学新纪元

材料研发长期受困于实验试错的低效循环,而AI方法与物理建模的融合正在重塑这一领域。图神经网络作为深度学习处理周期性原子结构的关键技术,能够学习成分与晶体结构之间的内在映射关系,实现对未知材料空间的快速搜索。结合密度泛函理论验证和活性学习策略,AI模型可以在数天内生成数百万个候选结构,将传统数百年的实验积累压缩为可计算、可筛选的数据资产。从锂电池固态电解质到热电材料,材料信息学的工作流正从人工检索转向高通量筛选与多模型协作。DeepMind的GNoME模型正是这一范式的集中体现,其意义不在于替代实验,而是为科

weixin_29053067的博客 352

一次解锁220万种新材料!DeepMind AI彻底改写无机材料研发史

不同于传统AI仅停留在理论预测的局限,此次研究真正打通了“智能预测—实体合成”的科研闭环,部分筛选出的优质新材料,已由AI实验机器人完成全自动合成与性能验证,解决了长期困扰行业的“AI预测落地难”痛点。传统无机材料研发长期依赖经验试错,科研人员穷尽数年心血,往往仅能验证数十种材料,庞大的潜在材料空间始终难以被充分挖掘。本次研究中,AI完成材料筛选后,可自动生成合成方案,由实验机器人自主完成制备、测试、表征全流程,实测数据反向迭代优化AI模型,形成高效的科研闭环,让新材料从“纸面预测”快速走向“实际应用”。

haisendashuju的博客 137

人工智能已经可以自己发现新材料了

这两天这个新闻真的不应该错过。我必须写个到此一游贴。材料科学领域发现新材料一直面临巨大挑战。传统的实验合成方法成本高昂,计算机模拟也存在算法和算力的瓶颈。为此,谷歌DeepMind团队研发了一套人工智能驱动的材料高效发现系统GNoME。GNoME系统的核心是图神经网络(GNN)。研究人员先收集了48万种已知稳定晶体的第一性原理计算数据,训练GNN模型预测新结构的能量和稳定性。然后他们使用“主动学习...

dotNET跨平台 593

音视频技术开发周刊 | 323

每周一期,纵览音视频技术领域的干货。新闻投稿:contribute@livevideostack.com。Meta牵头组建开源「AI复仇者联盟」,AMD等盟友800亿美元力战OpenAI英伟达超过50家科技大厂名校和机构,共同成立了全新的人工智能联盟。以开源为旗号,誓于OpenAI和英伟达一决高下。深度学习大牛权威预测2024年AI行业热点,盘点开源AI趋势!AI社区大佬Sebastian总结了...

LiveVideoStack 1470

DeepMind创始人最新访谈:今年的诺贝尔奖,就像是AI的分水岭

“AI 已经到达一个分水岭,人们认识到它实际上已经足够成熟,可以帮助科学发现。”

AMiner2006的博客 671

Nature | 化学领域的ChatGPT:人工智能与机器人联合打造新材料

今天为大家介绍的是来自Mark Peplow的一篇文章。目前来自DeepMind的工具预测出近40万种稳定物质,一个自主系统学会了如何在实验室制造这些物质。一个结合机器人技术和人工智能(AI)的自主系统成功创造了全新材料,并公布了其首批发现。这个名为A-Lab的系统,能够设计出各种材料的配方,其中一些可能用于电池或太阳能电池。它能自行完成材料合成并分析产物,整个过程无需人类干预。与此同时,另一个AI系统预测出数十万稳定物质的存在,为A-Lab未来的研究提供了众多候选目标。

DrugOne 634
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