أثر الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب في الابتكار في مجال علوم المواد

فهم الاستخدام الأمثل المتعدد الأغراض في علوم المواد

وقد برزت الطريقة المثلى المتعددة الأهداف كمنهجية أساسية في علوم المواد الحديثة، مما أدى إلى تغيير أساسي في كيفية اكتشاف الباحثين وتصميم مواد جديدة، وكثيرا ما تعتمد النهج التقليدية على التجارب التجريبية أو التفائل الوحيد الذي يمكن أن يستهدف ممتلكات واحدة في وقت واحد، وعلى النقيض من ذلك، يمكن النظر في الوقت نفسه في الخصائص المتعددة والمتضاربة والمادية مثل القوة وسلوك الخلايا والتكاليف.

وتكمن قوة الحركة في قدرتها على الملاحة في أماكن التصميم المعقدة والعالية الأبعاد التي تُستخدم فيها المواد، فعلى سبيل المثال، يجب أن تكون السبيكة المخصصة للتطبيقات الفضائية الجوية خفيفة ومقاومة للتآكل ومتعددة الحساسية ومصنوعة على نطاق واسع، وأن تؤدي التأقلم الأمثل في إحدى الممتلكات في عزلة إلى حلول وسط غير مقبولة في غيرها من المجالات.

والمفهوم الأساسي في وزارة الخارجية هو مجموعة الحلول التي لا يمكن فيها تحسين أي هدف واحد دون إهدار هدف آخر، وتحديد هذه الحدود هو الهدف الرئيسي لمعظم الخوارزميات، ويتزايد الباحثون في استخدام التقنيات الحاسوبية مثل الخوارزميات التطوّرية، والتصوير الأمثل للخليج، والنموذج البديل لتقريب البيانات من واقعة على نحو فعال في الفضاءات الافتراضية العالية الأبعاد.

وتتجلى آثار هذه الذخائر بشكل خاص عندما يقترن بفحص عالي الناتج والتعلم الآلي، فعلى سبيل المثال، فإن مبادرة " المجين " (FLT:0) الخاصة بالمبادرة الخاصة بالمنتجات الطبيعية () قد عززت إدماج الذخائر في برامج التوليف والتصنيف الآلية، مما يتيح سرعة التكرار بين التنبؤ والتجارب، وقد أدى هذا التآزر إلى اكتشاف مواد خامسة وكمية، وكمية خفيفة الوزن.

The Pareto Frontier in Material Design

إن حدود بريتو تمثل مجموعة المبادلات التي تحدد أفضل المرشحين المحتملين للمواد، ولا يمكن عملياً لأي مادة واحدة أن تحقق في نفس الوقت أعلى القيم الممكنة لجميع الممتلكات المرغوبة - هناك دائماً مبادلات، فالجرائم المتعددة الجنسيات تختبر بصورة منهجية حيز التصميم لرسم خريطة هذه الحدود، مما يتيح للباحثين تصور المشهد العام للأداء القابل للتحقيق، وعلى سبيل المثال، في تصميم مجرى هيكلي جديد، فإن أفضل تكوينات العلاقة بين الحدود يمكن أن تظهر.

ويكثّف تحديد حدود باريتا حواسيب، لا سيما عندما يجب النظر في عدة أهداف (مثل خمسة أو أكثر) حيث أن الخوارزميات الحديثة مثل مجموعة الـ 3 من الـ (NSGA-II) (الغوريثام الوراثي المهيمن على الشمال) و(Multi-Objective Evolutionary Algorithm) تستخدم على نطاق واسع في إيجاد حلول هندسية مُقرّدة.

لماذا نُهج ذاتية متعددة تضرب النهج الوحيد

فالاستخدام ذو الوجه الواحد يقلل من مشكلة مادية إلى مستوى واحد من الجدارة، وكثيرا ما يتطلب من المستخدم تحديد الأوزان المسبقة لمختلف الممتلكات، ويفترض ضمنا أن هناك مقايضة خطية نادرا ما تضاهي الواقع، فعلى سبيل المثال، فإن وجود قدر مرجح من القوة ومقاومة التآكل قد يغفل التركيبات التي توفر توازنا أعلى لأن الترجيحات تعسفية.

وثمة ميزة أخرى هي القوة: فالاستخدام الأمثل من جانب واحد يمكن أن يلتحم مع أفضل طريقة واحدة، ربما تكون متقلبة، في حين أن وزارة الزراعة تولد مجموعة متنوعة من المرشحين القويين، وهذا التنوع حاسم عندما تكون الممتلكات المادية عرضة للتقلب في ظروف التصنيع أو الخدمات، وبالاحتفاظ بحلول متعددة ذات طابع بديل، توفر وزارة الصناعة المرونة للتكيف مع المتطلبات المتغيرة أو القيود الجديدة دون إعادة تكييف الإنتاج الأمثل من الخدش.

Key Algorithms and Computational Techniques

وتتوقف فعالية الذخائر العضوية في العلوم المادية على اختيار الخوارزمية والإطار الحسابي، وبينما يعتمد العمل المبكر على أساليب بسيطة ذات وزن مرجح، فإن الممارسة الحديثة تستخدم خوارزميات متعددة الجوانب متخصصة مصممة لمعالجة التقييمات المعقدة وغير الخطية، والتي كثيرا ما تكون مكلفة، والتي تنطوي على نماذج المواد، وفيما يلي استعراض التقنيات الأكثر تأثيرا وقوامها النسبي.

Evolutionary Algorithms for Materials Discovery

وتهيمن الخوارزميات التطوّرية على المشهد المموّل في العلوم المادية نظراً لقدرتها على معالجة الزناد وغير المكون والحيز الموضوعي المتتابع، ولا تزال المجموعة الثانية من النظام العالمي للتصنيف المتعدد الوسائط، التي استحدثتها شركة ديب وآخرون، هي الأكثر استخداماً في تطبيقات المواد، وتستخدم إجراء سريع للتصنيف غير المهيمن، كما أن هناك مجموعة من الدراسات المتعلقة بالحشود العليا تحافظ على التنوع.

وتشمل التطورات الأحدث عهداً NSGA-III، التي توسع نطاق الإطار لمعالجة العديد من المشاكل الموضوعية (أربعة أهداف أو أكثر) باستخدام نقاط مرجعية، وهذا أمر له أهمية خاصة بالنسبة للنظم المادية المعقدة التي قد يرغب الباحثون في أن يحققوا في الوقت نفسه القوة والقوة والسلوك الحراري والمقاومة الكهربائية وتكاليف التصنيع، ويساعد النهج المرجعي على الحفاظ على التنوع حتى عندما يقل عدد الأهداف التي تجعل من الأساليب القائمة على الحشد أقل فعالية.

التفعيل الأمثل البديل لعمليات المحاكاة الهجومية

وفي كثير من السياقات العلمية المادية، يتطلب تقييم تكوين المرشحين إجراء محاكاة باهظة التكلفة من الناحية الحسابية - مثل حسابات النظرية الوظيفية للكثافة، وتحليل العناصر الزهيدة، أو الديناميات الجزيئية (MD).

وقد أصبح التكتل المتعدد الأطراف في بايزيا أداة قوية، لا سيما لتصميم مواد حفازة جديدة ومواد بطارية، كما أن المعالم الخبيثة مثل ParEGO و]SMSEGO تكيف مع معايير التفاؤل الأحادية الجانب في باييساري

وثمة اتجاه واعد آخر هو تحقيق التفسير الأمثل بين نماذج منخفضة القيمة رخيصة (مثلاً، الإمكانيات التجريبية) وبين نماذج عالية القيمة باهظة التكلفة (مثلاً، إدارة الدعم الميداني) (وجميع مقاييس التعبئة المتعددة يمكن أن تستغل سرعة تقييمات التخصيب المنخفضة من أجل استكشاف حيز التصميم على نطاق واسع، ثم تصقل المناطق الواعدة مع عمليات حسابية عالية.

التطبيقات عبر المواد

إن تعارض وزارة الخارجية يعني أنه يمكن تطبيقه على أي فئة تقريبا من المواد - المعادن والسراميات والبوليميرات والمركبات والمواد البيولوجية، وهنا ندرس عدة مجالات رئيسية تقوم فيها وزارة الزراعة بحفز ابتكار كبير.

المواد الهيكلية: السكك الحديدية والمركبة

وفي التطبيقات الهيكلية، كثيرا ما تدور الأهداف الرئيسية حول القوة والوزن والقابلية للاستمرار والتكلفة، وقد استخدمت هذه المنظمة على نطاق واسع لتطوير سبائك الألومنيوم القادمة من أجل الوزن الخفيف للسيارات، وسبائك التيتانيوم للزراعة البيولوجية الطبية، والسبائك ذات المسافات العالية بالنسبة للبيئات القصوى، والمثال الملحوظ على ذلك هو العمل الذي يقوم به معهد بحوث الطوايا الثانية، حيث تم تحسين المحركات المغنطة.

وبالنسبة للمركبين، تساعد وزارة الطاقة على تحقيق التوازن بين التوجهات والألياف، والمواد المصفوفة، ومعايير المعالجة، ففي تصميم البوليمر المنفذ من الكربون، استخدم الباحثون جهاز الرصد في نفس الوقت لتحقيق الحد الأمثل من الموصلات المحددة، وقوة الغطاس المكشوف، وزمن دورة التصنيع، وكشفت الحدود عن وجود أصناف واضحة من المبادلات - على سبيل المثال، تحسنت في قوة الانتقاء من الألياف.

المواد الوظيفية: البطاريات، والمحللات، والإلكترونيات

وفي مجال مواد الطاقة، تعتبر وزارة الطاقة عنصراً حاسماً في تحقيق الحد الأمثل من الممتلكات المتعددة التي تحكم الأداء، وبالنسبة لقطع البطاريات التي تستخدم الليثيوم - الأسيون، تشمل الأهداف الرئيسية كثافة الطاقة، وكثافة الطاقة، وحياة الدورة، والاستقرار الحراري، والتكلفة.() وقد استخدمت خامات MO-O في نقل حيز تكوين NMC (النيك - مانيز - كولدز) في عرض مواد الأمان الواعدة(23).

وقد تشمل الأهداف، بالنسبة للتحفيز غير المتجانس، النشاط والانتقائية والاستقرار والتكلفة، وقد كانت هذه المنظمة أداة فعالة في تصميم عوامل حفازة لرد الفعل على خفض الأكسجين في خلايا الوقود، حيث تواجه معادن مجموعة البلاتين من البدائل الأرخص، وقد استخدم الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مقياسا جينيا متعدد الجوانب لتحقيق تكوين حفاز في حجم البتي - نيوبروبيمت

In electronics, MOO is applied to thermoelectric materials, where the goal is to maximize the dimensionless figure of merits ZT — which depends on electrical conductivity, thermal conductivity, and Seebeck coefficient -- all of which are interrelated. MOO algorithms have identified lead chalcogenide and skutterudite compositions

المواد البيولوجية والمستدامة

وكثيرا ما تتطلب المواد الكيميائية الحيوية موازنة الممتلكات الميكانيكية مع القابلية للمواءمة البيولوجية والتحلل الأحيائي، وتستخدم هذه المادة في تصميم مجموعات من المواد لهندسة الأنسجة، حيث تشمل الأهداف السخرية، والقوة المضغوطة، وتداعية الخلايا، ومعدل التدهور.() وقد وضعت دراسة أجريت في عام 2022 إطاراً لمعدلات تطابق الكثافة بين النوع الأول والعقيدات المختلفة التي تتداخل بين الكثافة والأنسجة.

وبالنسبة للمواد المستدامة، تساعد وزارة الطاقة على إدراج الأثر البيئي كهدف صريح، أما مقاييس تقييم دورة الحياة مثل آثار الكربون أو استهلاك الطاقة فيمكن إدماجها إلى أقصى حد إلى جانب أهداف الأداء التقليدية، وهذا النهج المعروف بـ ]، والتصوير المغناطيسي ، فقد طُبِّق على المواد الافتراضية التي تُجرى من ألياف طبيعية ونموذجات بيولوجية.

الأثر على البحث والتطوير والممارسات الصناعية

ويحول اعتماد نظام رصد الأرض خطوط الأنابيب " Ramp;D " في الأوساط الأكاديمية والصناعية على السواء، ويمكن للمنظمات، من خلال الاستعاضة عن المحاكمة المتتابعة والاستكشاف الموازي، أن تضغط على الجدول الزمني لتطوير المواد من سنوات إلى أشهر، ويعرض هذا الفرع الفوائد الرئيسية وأفضل الممارسات الناشئة.

التعجيل بالكشف عن العمل من خلال تدفقات العمل الآلية

وتربط الآن منابر الرصد المتكاملة نماذج الحاسوب وقواعد البيانات والتجارب الآلية في تدفقات العمل المغلقة، فعلى سبيل المثال، فإن تركيبات Citrine Informatics تستخدم نماذج بديلة ومقاييس جينية متعددة الجوانب لتوجيه برامج التوليف الآلية، وقد تستخدم هذه المعاطف شركات مثل تركيبات دوي وبائيات.

وتوفر المبادرات الحكومية مثل مشروع المواد الكيميائية [(FLT:0]) [(FLT:1]) (الهديرية) قواعد بيانات مفتوحة عن الممتلكات المادية المحوسبة، يمكن استخدامها مباشرة كمدخلات لدراسات وزارة الأوزون، ويمكن للباحثين أن يتساءلوا عن قاعدة البيانات الخاصة بالمركبات التي تستوفي معايير الفرز الأولية، ثم يطبقون نظام الرصد على تحسين الاختيار، وقد أدى هذا النهج المتكامل إلى اكتشاف مواد جديدة شفافة في مجال الأداء.

تخفيض التكاليف والتقليل إلى الحد الأدنى من المحاكمات التجريبية

وكثيرا ما يكون التوليف والتميز التجريبيان هما أكثر الخطوات التي تستغرق وقتا طويلا وتكلفا في مجال تطوير المواد، وتخفض هذه العملية بشدة عدد المحاكمات التجريبية اللازمة بتحديد أكثر المرشحين واعدا من خلال الفحص الافتراضي السابق للمسح، وتبين من دراسة حالة أجريت من جامعة إيلينوي أن استخدام مورو لتكوين الذاكرة يخفض من المضاعفات التجريبية من أكثر من 100 إلى أقل من 15 مركبا معدنيا، مما يؤدي إلى تحقيق وفورات جديدة قائمة على أساس التليف.

وبالإضافة إلى ذلك، تدعم وزارة الطاقة التصنيع المستدام عن طريق الحد من النفايات، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يحقق الاستخدام الأمثل لمقاييس طفرة الحقن في المحركات المغنطة باستخدام أجهزة الموجات المغنطة في آن واحد فترات أقصر، وانخفاض استهلاك الطاقة، ونوعية المنتجات المقبولة، وقد وضعت شركات مثل أربورغ برامجيات مستهلكة للزراعة من أجل تحقيق أفضل عمليات التخصيب، حيث أبلغت عن انخفاض في استخدام الطاقة بنسبة تصل إلى 20 في المائة دون التضحية بنوعية جزئية.

التحديات والحدود في المواد المتعددة الأغراض

ورغم وعدها، تواجه وزارة العلوم المادية عدة تحديات يجب التصدي لها من أجل اعتمادها على نطاق أوسع.

النفقات الحاسوبية والقابلية للتقسيم

ولا تزال عمليات المحاكاة العالية القيمة المطلوبة للتنبؤات الدقيقة بالممتلكات المادية باهظة التكلفة من الناحية الحسابية، وحتى مع النماذج البديلة، فإن تكلفة توليد بيانات التدريب يمكن أن تكون باهظة بالنسبة للمشاكل المتعددة الجوانب التي تتجاوز ٠١ أهداف أو أماكن تصميم عالية الأبعاد للغاية، وقد تؤدي التطورات الأخيرة في أساليب التعلم النشط والتعددية القيمة إلى تخفيف هذا الأمر إلى حد ما، ولكن بالنسبة للعديد من النظم المادية المعقدة - مثل استخدام الموارد الميكانيكية المتعددة الكواكب

والتسوية والمسح السحابي هما حلول جزئية، حيث تتيح أطر مثل [(FLT:0]pymoo و]Platypus] للباحثين توزيع تقييمات المهام على العديد من النواحي الأساسية أو العوارض، غير أن رموز الاتصال العامة والحاجة إلى تحقيق توازن فعال في العناصر المتجانسة تظل منطلقات البحثية، ولا سيما بالنسبة للهيجين.

نوعية البيانات، وعدم اليقين، والتكامل المتعدد الأطراف

ولا يمكن أن تعكس خوارزميات الحركة سوى النمذج التي تُستخدم فيها، وإذا كانت نماذج المحاكاة تنطوي على قدر كبير من عدم اليقين أو التحيز المنهجي، فإن الحدود الناتجة عن ذلك قد لا تعكس أداء العالم الحقيقي، فإدماج كمية عدم اليقين في منطقة العمليات المتعددة (العمليات غير المباشرة) هو مجال نشط، ولكنه يزيد من التكلفة الحسابية، علاوة على ذلك، فإن إدماج البيانات من مصادر متعددة (الخيارات المسبقة، والتفاؤلية، والافتراضية، والروحية) يتطلب وجود روحاني.

وثمة مسألة أخرى هي لعنة البعد: حيث أن عدد الأهداف يزيد إلى ما بعد أربعة أو خمسة، يصبح تصور وتفسير حدود بريتو أمرا صعبا، وقد يكافح صانعو القرار لاختيار بين مئات الحلول البديلة، مما يؤدي إلى شلل التحليل، ويجري تطوير تقنيات مثل الحد من البعد (مثل التحليل الرئيسي للعناصر المطبق على الأهداف) وأدوات التصوير التفاعلي، ولكنها ليست ممارسة معيارية بعد.

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

إن تقارب حركة العمل مع التخصصات الحاسوبية الأخرى - التعلم الآلي، والحساب العالي الأداء، والتجريب الآلي - يقود موجة الابتكار التالية في علوم المواد.

التكامل مع التعلم في مجال الآلات والتعلم العميق

ويتزايد استخدام التعلم من الآلات كنموذج بديل داخل وزارة الزراعة، حيث يمكن تدريب الشبكات العصبية والغابات العشوائية والعمليات الغازية على المحاكاة أو البيانات التجريبية للتعجيل بتنبؤات الممتلكات، وقد أظهرت نماذج التعلم العميق، ولا سيما شبكات الجرافات العصبية، قدرة ملحوظة على التنبؤ بالممتلكات المادية من الهيكل الذري، مما يتيح إمكانية استخدام الأشعة فوق الحيز الكيميائي الكبير، وعلى سبيل المثال، استخدمت نماذج الأشعة المميزة مع تصميمات العضوية الجديدة.

وثمة اتجاه آخر ناشئ يتمثل في استخدام التعلُّم في مجال الإنفاذ فيما يتعلق بتصميم المواد المتعددة الأهداف، وفي هذا الإطار، يتعلم الوكيل اختيار التكوينات وشروط التجهيز لتحقيق أقصى قدر من الإشارات المتعددة المكافآت، وهذا يناسب على وجه الخصوص التجارب التكيُّفية، حيث يتعلم الخوارزم من كل نقطة بيانات جديدة ويحدِّث استراتيجيته.

التأقلم الفعلي والتوائم الرقمية

وفي الأوساط الصناعية، يمكن الجمع بين مفهوم التوأم ) الرقمية ] - وهو نموذج افتراضي لعملية التصنيع - وبين وزارة الطاقة من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل للمواد في الوقت الحقيقي، وتوفر أجهزة الاستشعار في خط الإنتاج بيانات تغذي حلقة متعددة الأبعاد تُعدل معايير التصنيع (التأثير، الضغط، معدل الزهر) للحفاظ على جودة المنتجات في الوقت الذي تخفض فيه إلى أدنى حد.

وتحتاج وزارة العمل في الوقت الحقيقي إلى خوارزميات سريعة للغاية، وكثيرا ما تدار في ثوان أو دقائق، كما أن نماذج الترددات الخفيفة وتسريع الأجهزة هي عوامل التمكين الرئيسية.() وقد وضع الباحثون في جامعة شيفيلد نظاماً للتصنيع المضاف يقوم على الزمن الحقيقي، ويكيف الطاقة الليزرية ويمسح السرعة ليتوازن الكثافة الجزئية والإجهاد المتبقي، بينما أدى النظام إلى انخفاض معدلات العيوب بنسبة 45 في المائة.

الخلاصة: مشروع نموذجي في مجال الابتكار في مجال المواد

إن تحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب قد انتقل من الاهتمام الأكاديمي الناقص إلى ركيزة مركزية من علوم وهندسة المواد، إذ إن من خلال توفير إطار صارم لاستكشاف المبادلات، يتيح اكتشاف مواد أقوى وأخف وأيسر استدامة وأرخص من المواد التي توضع من خلال الأساليب التقليدية، ويظل التكامل مع التصميم العالي التجهيز والتعلم الآلي، والوعود التجريبية المؤتة، من أجل التعجيل بتنفيذ تحديات نوعية الابتكار.