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中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所 AM: 發(fā)明“機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)試錯(cuò)法” - 實(shí)現(xiàn)橡膠配方高效、極限優(yōu)化，已應(yīng)用于高技術(shù)裝備制造
2025-03-14  來源：高分子科技

  在橡膠復(fù)合材料的性能優(yōu)化領(lǐng)域，雖然傳統(tǒng)的試錯(cuò)法有效，但存在效率低下的問題。最新的機(jī)器學(xué)習(xí)輔助方法也不適用于預(yù)測(cè)和優(yōu)化橡膠復(fù)合材料的性能。這是因?yàn)檫@些性能依賴于加工條件，這導(dǎo)致從不同來源收集的數(shù)據(jù)無法對(duì)齊。在本研究中，提出了一種稱為“機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)型試錯(cuò)法”的新工作流程。該方法將正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與符號(hào)回歸相結(jié)合，以提取經(jīng)驗(yàn)原理。這種結(jié)合使得優(yōu)化過程保留了傳統(tǒng)試錯(cuò)法的特點(diǎn)，同時(shí)顯著提高了效率和能力。以橡膠復(fù)合材料為模型體系，機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)型試錯(cuò)法有效提取了符號(hào)回歸所得數(shù)學(xué)公式中高頻項(xiàng)所蘊(yùn)含的經(jīng)驗(yàn)原理，為材料性能優(yōu)化提供了明確指導(dǎo)。本研究還開發(fā)了一個(gè)在線平臺(tái)，該平臺(tái)無需編寫代碼即可使用所提出的方法，旨在無縫集成到現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化流程中。



  橡膠復(fù)合材料是航空航天、高端裝備的關(guān)鍵材料，其耐極端環(huán)境性能依賴于多組分配方的精準(zhǔn)調(diào)控。傳統(tǒng)試錯(cuò)法研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，嚴(yán)重制約后發(fā)國(guó)家的技術(shù)突破。盡管機(jī)器學(xué)習(xí)為材料設(shè)計(jì)提供了新思路，但橡膠加工中的非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)演變導(dǎo)致性能依賴于加工條件，因此難以構(gòu)建規(guī)模化的數(shù)據(jù)庫。如何融合傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)智能，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)，已成為該領(lǐng)域亟待突破的難題之一。


圖1. (A)傳統(tǒng)試錯(cuò)法與(B)機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)試錯(cuò)法的工作流程對(duì)比


  使用試錯(cuò)法優(yōu)化橡膠復(fù)合材料的配方需要經(jīng)歷一個(gè)由實(shí)驗(yàn)、觀察、分析和調(diào)整構(gòu)成的迭代循環(huán)（圖1A）。在這個(gè)循環(huán)中，每次僅改變一個(gè)變量，這個(gè)變量可以是某一組分的含量，也可以是一個(gè)加工參數(shù)。盡管這種方法效率低下，但它能夠提煉出將性能與變量相關(guān)聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)原理。為了提升試錯(cuò)法的效率，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為“機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)試錯(cuò)法”的創(chuàng)新方法，這種方法通過將正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與符號(hào)回歸算法相結(jié)合，將試錯(cuò)法一次變一個(gè)變量改為一次變多個(gè)變量，利用符號(hào)回歸提取若干變量同時(shí)變化時(shí)性能與變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（圖1B）。


圖2. 符號(hào)回歸算法提取的數(shù)學(xué)公式及其高頻項(xiàng)分析方案（以定伸應(yīng)力為例）


  在具體操作過程中，研究團(tuán)隊(duì)采用空間中均勻分布的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)建小數(shù)據(jù)集，隨后利用符號(hào)回歸算法在數(shù)學(xué)表達(dá)式空間中進(jìn)行搜索，構(gòu)建配方與性能之間的可能數(shù)學(xué)表達(dá)式。通過對(duì)大量數(shù)學(xué)表達(dá)式的分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)某些高頻出現(xiàn)的項(xiàng)（高頻項(xiàng)）在公式中起到了主導(dǎo)作用（見圖2）。通過對(duì)這些高頻項(xiàng)進(jìn)行深入挖掘與分析，能夠有效提煉出潛藏其中的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律�；诖�，他們可以有針對(duì)性地對(duì)橡膠配方進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，達(dá)成諸如提升強(qiáng)度、增強(qiáng)韌性、改善耐候性等多目標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化，使橡膠復(fù)合材料更好地滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的嚴(yán)苛需求。不僅如此，基于所習(xí)得的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，能夠跨越訓(xùn)練集中數(shù)據(jù)所設(shè)下的邊界藩籬。通過對(duì)經(jīng)驗(yàn)的有效外推，從而進(jìn)一步大幅提升材料的綜合性能（見圖3）。


圖3. 數(shù)學(xué)公式實(shí)現(xiàn)的多目標(biāo)優(yōu)化與經(jīng)驗(yàn)規(guī)律完成的外推取值


  以聚異戊二烯橡膠復(fù)合材料為模型體系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法高效地完成了單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)平衡的任務(wù)。此外，該方法還展現(xiàn)出與傳統(tǒng)試錯(cuò)法高度相似的優(yōu)點(diǎn)：通過數(shù)學(xué)公式表達(dá)的配方性能關(guān)系，不僅具有穩(wěn)定的外推能力，還展現(xiàn)出強(qiáng)大的誤差容忍能力；獲取的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律則表現(xiàn)出卓越的跨體系遷移能力（見圖4）。


圖4. 獲取的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的跨體系遷移性與機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)試錯(cuò)法的誤差容忍能力


  綜上所述，與傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方案試圖取代試錯(cuò)法不同，作者提出利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)增強(qiáng)傳統(tǒng)試錯(cuò)法的策略，在保留試錯(cuò)法可提煉數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的同時(shí)，極大的提升了優(yōu)化效率。目前，該方法已應(yīng)用于高技術(shù)領(lǐng)域，并有望拓展至其他適用于試錯(cuò)法的領(lǐng)域。相關(guān)成果以“Machine-Learning-Enhanced Trial-and-Error for Efficient Optimization of Rubber Composites”為題發(fā)表在《Advanced materials》上。第一作者為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的鄧偉博士，通訊作者為長(zhǎng)春應(yīng)化所楊小牛研究員和王大鵬研究員。


  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407763

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