引言:进入人工智能时代,数据重要性进一步凸显。今年,国家数据局等17部门联合印发的《“数据要素x”三年行动计划》指出,要以数据驱动发现新规律、创造新知识,加速科学研究范式变革。北京材料基因工程高精尖创新中心在浪潮信息助力下,通过数智融合加速材料研发,取得了创新实践,对发挥“数据要素x”具有示范意义。
2021年6月24日,美国佛罗里达州迈阿密海边一栋1981年建造的12层公寓发生部分倒塌,造成重大人员伤亡。最终调查结果显示,公寓倒塌可能缘于海水倒灌对建筑结构的水泥混凝土及内部的加强钢筋造成腐蚀破坏。
材料腐蚀是悄悄发生的破坏,这些年在国内发生的一些重大事故,如山东青岛爆燃特大事故、湖北十堰管道腐蚀爆炸、广州虎门大桥不明原因晃动等,也都与材料腐蚀有关。
研发具有更高性能、更长寿命、更加绿色智能的新材料,是材料领域亟待解决的课题。北京材料基因工程高精尖创新中心在浪潮信息提供的高效、智能算力支撑下,通过“大数据+人工智能”找出材料腐蚀的 “杀手”,加速研发出更符合需求的新材料,将新材料研发周期从原来的10-20年缩短到3-5年,实现科技创新从“实验范式”向“数据范式”的跃升。
改变研发范式,提速新材料研发
新材料是一切现代产业的基础,是国家大力发展的战略性新兴产业,从农业、工业、建筑到航空航天、医疗等各领域的现代化,都离不开材料的创新。可以说,一代材料决定了一代装备。
腐蚀是材料领域亟待解决的一大难题,腐蚀对于材料来说,就相当于人类的慢性疾病。材料腐蚀给国民经济造成了巨大损失,中国工程院全国腐蚀调查表明,我国腐蚀损失每年超过三万亿元,占GDP的3.34%。
因此,“治未病”防患于未然十分关键。在工程建设前找到更耐腐蚀材料,一直是材料领域的核心课题。传统的材料腐蚀研究,采用实验的方法,通过不断试错来找到材料-环境-腐蚀的内在规律,费时、费力。用北京材料基因工程高精尖创新中心腐蚀大数据团队、国家材料腐蚀与防护科学数据中心张达威教授的话说:“传统材料研发就如同做菜,食材调料各放多少,没有定量配方,咸了兑点水,淡了加点盐,需要反复尝试。因为影响材料的因素特别多,靠经验试错法进行材料研究,研发周期非常长、成本特别高。”
将材料基因工程的理念方法引入新材料研发与防腐蚀领域,能够提速材料的开发、生产、应用的全过程,被公认为开发新材料的前沿颠覆性方法。借鉴生物学基因工程,材料基因工程由材料高效计算、先进实验和大数据技术等构成其基础技术体系,实现对材料成分、配方、制备工艺的高效筛选、精准调控和优化设计,快速得到满足特定性能需求的新材料。
目前,世界各国都在积极推进材料基因工程研究,致力于实现新材料研发周期缩短一半、研发成本降低一半的战略目标。我国科研工作者经过多年努力,已经在几类关键材料上实现了这一目标,将研发周期从10-20年缩短为3-5年,并在中马友谊大桥、川藏铁路等重大工程的材料筛选设计中,精准、高效地完成了任务。
以中马友谊大桥项目为例。马尔代夫景色宜人,但是它所处的环境高温、高湿、高盐分、强紫外光辐射,对于材料来说是一个非常恶劣的环境。国家材料腐蚀与防护科学数据中心利用其积累的海量腐蚀数据以及针对数据的分析和挖掘,来评价中马友谊大桥所处环境下的腐蚀风险,选择了更适合的建设材料,保证大桥长时间正常运行。
实现范式变革,数据“采-存-算”是关键
材料基因工程是材料与大数据、人工智能、高通量自动化实验等前沿技术的深度融合,通过“理性设计+高效实验+大数据分析”的协同创新显著提升新材料的研发效率和应用速度,实现材料研究从“实验范式”到 “数据范式”的跃升,这种协同创新背后的关键驱动力是 “数据”,关键技术基础是“计算”。
以耐蚀材料研发为例,材料腐蚀过程机理十分复杂,温度、湿度、应力等环境因素,成分、加工、结构等材料因素,时间尺度等因素,都是材料需要考虑的因素。因此,耐蚀材料的筛选和设计,需要大量的数据作为支撑依据。
“这好比给材料看病,如果没有相关检验手段,只能 ‘望’‘闻’‘问’‘切’,有了心电图等检查手段,能看到已发病的心脏问题,但有了动态心脏检测仪(Holter)24小时检测,就能通过心脏连续数据,分析出心脏有可能发生的问题,如果进行基因分析,就能了解生命更深层的潜在问题。” 张达威表示,材料研究从“实验范式”向“数据范式”的变革,数据的“采”、“存”、“算”能力是关键。
一是要将有效数据“采上来”。国家材料腐蚀与防护科学数据中心通过新型腐蚀监测传感器与物联网技术构建腐蚀在线监测系统,开展材料(微观)环境腐蚀数据的高通量采集与实时传输。目前,已布设了覆盖我国典型自然环境的国家野外观测站,成功应用于电网、地下管网、高铁、风电等重大装备的腐蚀失效监测,每年收集到数以亿计的腐蚀数据。
二是能将海量的数据“存得下”。中心开发了数据汇交和数据库系统等共性技术,有了这些技术能更好地理解数据与数据之间的关系,将数据变成知识,以更高价值的方式存储下来。
三是强大算力把新材料“算出来”。数据的价值在于用,如何在海量的数据中找出规律、找到答案,需要高质量算力的支撑。为此,北京材料基因工程高精尖创新中心联手浪潮信息构建计算平台,充分释放数据价值。如利用人工智能技术,开发了一系列覆盖原子、化学键、分子不同尺度,到材料、工艺、环境、时间不同维度的腐蚀预测模型,对耐蚀性能进行仿真测试。在人工智能算力的推动下,快速得到不同材料在不同环境作用下的耐蚀性能。
目前,北京材料基因工程高精尖创新中心联手浪潮信息打造的材料高通量计算平台,已经成为该中心创新变革的关键基础设施。随着数据和计算的进一步融合,科研人员可以从繁琐的实验试错中解脱出来,让实验观察变成无人实验,仿真模拟变成现象生成,数据驱动变成数据增强,让“算”出新材料成为可能。
应该说,以数据为核心,通过数智融合驱动科研方式的变革,打造新质生产力,不仅仅是对于材料领域,对于各个领域面临的重大问题,都是有效的解题方法。在材料腐蚀和耐蚀材料的研究中,联合通过数智融合探索,很好地诠释了数据要素给材料科研变革带来的乘法效应。
