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眼眸如秋水, 看透晦澀數(shù)據(jù)。 眉宇如利劍, 破解學(xué)術(shù)迷障。 笑靨如彎月, 書寫攻堅(jiān)克難的決心。 沒(méi)有脂粉堆砌, 亦無(wú)矯揉造作, 在實(shí)驗(yàn)室里運(yùn)籌帷幄, 在學(xué)術(shù)疆場(chǎng)勇往直前。 ——摘自一位粉絲對(duì)貴州大學(xué)謝蘭教授的傳神描述 在全國(guó)區(qū)域企業(yè)數(shù)智化產(chǎn)教融合中心(貴州大學(xué)與貴州民族大學(xué)共建),謝蘭教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)正在緊張地進(jìn)行一場(chǎng)顛覆傳統(tǒng)的材料研發(fā)實(shí)驗(yàn)。 她們通過(guò)人工智能算法,基于多模態(tài)融合模型設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)功能一體化的電磁屏蔽高分子復(fù)合材料,僅用2個(gè)月便完成了設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 為了精準(zhǔn)預(yù)測(cè)不同成分與結(jié)構(gòu)的材料電磁屏蔽性能,謝蘭與團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了提取SEM圖像中的孔隙率、填料分布等微結(jié)構(gòu)特征與處理含量等數(shù)值數(shù)據(jù)的GatedFusion多模態(tài)模型。她們對(duì)4種人工智能設(shè)計(jì)的電磁屏蔽材料性能進(jìn)行了預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證值平均誤差<5%。 這項(xiàng)研究首次證明,多模態(tài)數(shù)據(jù)融合可捕捉材料成分與微結(jié)構(gòu)的非線性關(guān)聯(lián),為電磁屏蔽材料的“逆向設(shè)計(jì)”提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工具,推動(dòng)材料研發(fā)從“試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)”向“精準(zhǔn)預(yù)測(cè)”轉(zhuǎn)變。 這背后,是謝蘭教授20年跨界深耕的智慧結(jié)晶。 為材料研發(fā)裝上智能引擎 謝蘭教授本科與碩士階段分別在四川師范大學(xué)與電子科技大學(xué)攻讀軟件工程,博士轉(zhuǎn)向四川大學(xué)材料加工工程,留學(xué)英國(guó)謝菲爾德大學(xué)期間又深入學(xué)習(xí)高分子物理技術(shù)。這種“軟件工程+材料科學(xué)”的復(fù)合學(xué)術(shù)背景,讓她在2016年入職貴州大學(xué)后,迅速捕捉到材料研發(fā)的“數(shù)智化”機(jī)遇。 謝蘭教授說(shuō):“傳統(tǒng)材料研發(fā)存在數(shù)據(jù)孤島,材料成分、微觀結(jié)構(gòu)、制備工藝與性能數(shù)據(jù)缺乏系統(tǒng)性關(guān)聯(lián);試錯(cuò)成本高,比如電磁屏蔽材料單一性能優(yōu)化,年均需開展500+次配方實(shí)驗(yàn),耗時(shí)耗力;跨尺度調(diào)控難,納米填料分散與宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏理論銜接,依賴經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)等痛點(diǎn)問(wèn)題。” 針對(duì)上述問(wèn)題,謝蘭教授提出“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料基因解碼”理念,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)搭建了貴州省首個(gè)“高分子功能復(fù)合材料多模態(tài)基因庫(kù)”,整合16000組材料數(shù)據(jù),涵蓋石墨烯、氮化硼納米片等20多種類填料,涉及熱導(dǎo)率、電磁屏蔽效能等8項(xiàng)核心性能指標(biāo),開發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的“結(jié)構(gòu)-性能”設(shè)計(jì)平臺(tái),為材料研發(fā)裝上“智能引擎”。 構(gòu)建工程應(yīng)用創(chuàng)新全鏈條 隨著5G通信、集成電路、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,聚合物基功能復(fù)合材料作為核心支撐材料,其導(dǎo)熱、電磁屏蔽、相變儲(chǔ)能等性能面臨嚴(yán)苛挑戰(zhàn)。 以電磁屏蔽材料為例,5G基站對(duì)屏蔽效能的要求已從4G時(shí)代的30 dB提升至50 dB以上,而傳統(tǒng)“試錯(cuò)法”研發(fā)周期長(zhǎng)達(dá)2-3年,單次配方調(diào)整需耗費(fèi)數(shù)十萬(wàn)元,且難以精準(zhǔn)調(diào)控納米填料與聚合物基體的界面相互作用及宏觀結(jié)構(gòu)取向。 在此背景下,人工智能與材料科學(xué)的深度交叉催生了“材料基因工程”新范式。通過(guò)多模態(tài)數(shù)據(jù)融合與深度學(xué)習(xí)算法,可將材料研發(fā)從“經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)”帶入“精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”時(shí)代。謝蘭教授團(tuán)隊(duì)敏銳捕捉這一機(jī)遇,在貴州省率先開展“人工智能+高分子復(fù)合材料”的跨界研究,構(gòu)建了從基礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用的完整創(chuàng)新鏈條。 謝蘭團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Adam-FCNN全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,徹底改變了電磁屏蔽材料的研發(fā)邏輯。通過(guò)分析1600個(gè)神經(jīng)元的深度網(wǎng)絡(luò),模型能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)不同填料配比、微觀結(jié)構(gòu)對(duì)屏蔽效能的影響,預(yù)測(cè)精度高達(dá)99.4%。特別是該模型將研發(fā)周期從2年壓縮至2個(gè)月,時(shí)間成本降低91.6%。她們與上海大學(xué)、航天電器合作,開展基于高通量數(shù)據(jù)分析的結(jié)構(gòu)功能一體化導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用,相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專利近10項(xiàng)。 針對(duì)材料研發(fā)中“結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系難以量化的痛點(diǎn),謝蘭教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了ResNet-FCNN多模態(tài)深度學(xué)習(xí)模型。該模型通過(guò)分析SEM圖像中的孔隙率、填料分布等微結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合填料含量、制備工藝等數(shù)值數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了材料性能的精準(zhǔn)預(yù)測(cè),首次實(shí)現(xiàn)了材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的跨尺度映射。 重塑學(xué)科育人新模式 在貴州大學(xué),謝蘭教授開創(chuàng)的“人工智能+材料科學(xué)”交叉培養(yǎng)模式,正在重塑學(xué)科的育人范式。“我們培養(yǎng)的不是傳統(tǒng)材料工程師,而是能駕馭數(shù)據(jù)的‘材料數(shù)字工程師’”;我們培養(yǎng)的不是傳統(tǒng)的軟件工程師,而是能駕馭領(lǐng)域知識(shí)的軟件工程師。 如今,這種模式已初見(jiàn)成效:2024屆畢業(yè)生周穎博士利用Adam-FCNN模型,僅用2月便完成了某電磁屏蔽材料優(yōu)化方案,將屏蔽效能從38.8 dB提升至78.6dB;碩士何成雷等同學(xué)開發(fā)的“功能材料性能預(yù)測(cè)平臺(tái)”,可實(shí)時(shí)可視化材料成分與性能的關(guān)聯(lián),可用于企業(yè)生產(chǎn)線智能調(diào)控。 謝蘭教授的探索,不僅是材料科學(xué)與人工智能的深度融合,更是科研范式與人才培養(yǎng)的雙重革命,是高等教育“新工科”實(shí)踐的生動(dòng)樣本。她用“數(shù)據(jù)”解構(gòu)材料基因,用“算法”重構(gòu)研發(fā)流程,用“跨界”激活產(chǎn)業(yè)動(dòng)能,更用“創(chuàng)新”培育未來(lái)人才。在貴州這片充滿活力的土地上,她正書寫著“把論文寫在大地上”的新時(shí)代科研篇章,為我國(guó)從“材料大國(guó)”邁向“材料強(qiáng)國(guó)”貢獻(xiàn)智慧與力量。 |
