納米技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)相遇的地方

人工智能 (AI) 開(kāi)始越來(lái)越多地應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，因?yàn)樗兄谔岣吡鞒绦?。隨著我們邁向工業(yè) 4.0 和更自動(dòng)化的工業(yè)系統(tǒng)，人工智能方法變得越來(lái)越重要。在眾多人工智能方法中，機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 已成為最受歡迎的方法之一。除了采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法的各種制造、監(jiān)控、計(jì)算和加工業(yè)外，機(jī)器學(xué)習(xí)方法還與納米技術(shù)結(jié)合使用——這一領(lǐng)域不像其他一些領(lǐng)域那樣有據(jù)可查。

鑒于人工智能和納米技術(shù)行業(yè)與一些已經(jīng)發(fā)展了一個(gè)多世紀(jì)的行業(yè)相比仍處于相對(duì)初級(jí)階段，因此這兩個(gè)行業(yè)仍面臨一些挑戰(zhàn)。當(dāng)然，將這兩個(gè)高度先進(jìn)的行業(yè)結(jié)合起來(lái)也面臨著挑戰(zhàn)。它們的范圍從比物理實(shí)驗(yàn)更快的數(shù)據(jù)方法，到每個(gè)行業(yè)的相關(guān)研究人員之間缺乏關(guān)于每個(gè)行業(yè)對(duì)另一個(gè)行業(yè)的需求以及如何最好地利用這兩個(gè)領(lǐng)域以產(chǎn)生優(yōu)化結(jié)果的有效溝通。

盡管如此，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，在人工智能和納米技術(shù)的交匯處存在著許多機(jī)遇。因此，盡管存在一些挑戰(zhàn)，但可以相對(duì)輕松地克服這些挑戰(zhàn)，所以讓我們來(lái)看看機(jī)器學(xué)習(xí)方法和納米技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生有效結(jié)果的一些關(guān)鍵新興領(lǐng)域。這些領(lǐng)域包括分析大型數(shù)據(jù)集、設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)新的納米材料，以及開(kāi)發(fā)更高效的硬件來(lái)支持機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

分析大型數(shù)據(jù)集

分析、優(yōu)化和挑選大型數(shù)據(jù)集中的趨勢(shì)是機(jī)器學(xué)習(xí)方法的核心，這可以應(yīng)用于納米材料。這是通過(guò)多種方式開(kāi)發(fā)的。

第一種方法是分析各種表征儀器的數(shù)據(jù)，例如使用光譜學(xué)方法和電子顯微鏡方法表征納米材料的特性時(shí)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ANN) 和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 的組合已與表征儀器結(jié)合使用。

一方面，機(jī)器學(xué)習(xí)與光譜學(xué)一起使用，以指示數(shù)據(jù)集中非常小的變化，否則這些變化可能不會(huì)引起注意。這些微小的變化實(shí)際上可能與被分析材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和形態(tài)的變化相關(guān)，這是可以改變納米材料特性的兩個(gè)因素。因此，識(shí)別此類(lèi)微小變化的能力非常重要。

On the other hand, machine learning is used with microscopy methods—specifically electron microscopes used to analyze nanomaterials, but machine-learning methods have also been used with optical microscopes for other types of materials. In this area, the output is an image with spatial correlations, and machine-learning methods can be used to detect small deviations from the norm, leading to a more accurate analysis of the material. This can also be applied beyond pure nanomaterial analysis to analyze the spatial features of biological features—such as using the shape and size of cells to determine which ones are cancerous. Although this is not strictly nanotechnology, many of the applied approaches to achieve to analyze these cells rely on nanomedicine approaches, so it is a closely related area.

第二種關(guān)鍵方法是分離表征儀器的數(shù)據(jù)集。許多分析方法傾向于壓縮數(shù)據(jù)，而機(jī)器學(xué)習(xí)可以將不同的數(shù)據(jù)信號(hào)從分析中分離出來(lái)。這很重要，因?yàn)閿?shù)據(jù)壓縮會(huì)導(dǎo)致混合信號(hào)的產(chǎn)生，從而影響結(jié)果。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)本質(zhì)上可以用于納米材料分析方法，作為質(zhì)量控制的一種手段，并從原始數(shù)據(jù)集中提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸出。

設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)新的納米材料

近年來(lái)引起廣泛關(guān)注的一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域是優(yōu)化設(shè)計(jì)納米材料以及許多其他材料和化學(xué)品的能力，并找到生產(chǎn)可能比現(xiàn)狀更好的新材料的途徑。這種需求是如此之大，以至于它導(dǎo)致了許多計(jì)算/理論領(lǐng)域的發(fā)展——例如計(jì)算化學(xué)和生物學(xué)——隨著過(guò)去十年左右計(jì)算能力的急劇增加，這些領(lǐng)域變得越來(lái)越普遍。

之所以采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，是因?yàn)榧{米材料的特性比其他材料更難預(yù)測(cè)，因?yàn)榱孔有?yīng)會(huì)在如此小的尺度上發(fā)揮作用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (DNN) 和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò) (GAN) 已被用于分析和優(yōu)化納米級(jí)可能的許多不同參數(shù)和特性。這些輸出可以合理化并用于構(gòu)建設(shè)計(jì)新納米材料的最佳解決方案或優(yōu)化現(xiàn)有納米材料的最佳方法。它就像是計(jì)算化學(xué)/生物學(xué)的高級(jí)版本，可以與表現(xiàn)出獨(dú)特特性和現(xiàn)象的材料一起使用。這些方法已被用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化一系列納米材料，包括二維材料、二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)、納米級(jí)催化劑、

更高效的硬件

雖然上述領(lǐng)域都集中在機(jī)器學(xué)習(xí)可以為納米技術(shù)做些什么，但本節(jié)專(zhuān)門(mén)介紹納米技術(shù)可以為機(jī)器學(xué)習(xí)做些什么。當(dāng)今先進(jìn)的納米制造和納米圖案化方法可以創(chuàng)建高效且小型的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備。然后可以利用這些高級(jí)計(jì)算組件來(lái)提供更多計(jì)算能力，這些計(jì)算能力可用于為機(jī)器學(xué)習(xí)算法提供動(dòng)力和維持。

除了能夠?qū)ΜF(xiàn)有的納米級(jí)材料進(jìn)行圖案化以提高它們的效率外，創(chuàng)建納米電子設(shè)備還可以使傳統(tǒng)組件變得更小，這意味著可以在給定的區(qū)域內(nèi)制造更多的組件。納米級(jí)晶體管的發(fā)展就是一個(gè)很好的例子，因?yàn)榕c其他體積更大的晶體管相比，可以在芯片/硬件上制造更多的晶體管，從而提高速度和效率。

納米材料的使用還導(dǎo)致了新型晶體管設(shè)備的開(kāi)發(fā)，例如憶阻器，它可以“像大腦一樣工作”并存儲(chǔ)信息——當(dāng)斷電時(shí)信息仍然存儲(chǔ)。能夠生產(chǎn)出能夠促進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)和其他 AI 算法的“類(lèi)腦”行為的更快的硬件和高級(jí)組件的能力，將有助于進(jìn)一步將機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用到更多的應(yīng)用程序和工業(yè)領(lǐng)域。

結(jié)論

盡管這兩個(gè)行業(yè)都面臨著挑戰(zhàn)，并且將兩個(gè)高科技行業(yè)結(jié)合在一起，但通過(guò)將納米技術(shù)與人工智能方法相結(jié)合，許多機(jī)會(huì)是可能的，其中許多已經(jīng)開(kāi)始引起人們的興趣。機(jī)器學(xué)習(xí)方法可用于更好地分析納米材料和納米級(jí)生物材料，并有助于尋找新材料和最佳設(shè)計(jì)納米材料的最佳途徑。納米技術(shù)也可以通過(guò)提供更高效的硬件來(lái)支持機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)回饋社會(huì)?？偟膩?lái)說(shuō)，它仍然是一個(gè)發(fā)展中的區(qū)域，但它是一個(gè)在許多方面都有潛力的交叉區(qū)域。

審核編輯黃昊宇