إن تصميم المواد المتطورة المتعددة المرمى هو نقطة حرجة حيث لا تكفي الأساليب التقليدية التجريبية للتجربة والحرق لتلبية الطلبات المتسارعة للصناعات التي تتراوح بين الفضاء الجوي والأجهزة الطبية الحيوية، وقد وعدت النُهج الحاسوبية بالتعجيل بهذه العملية، ولكن حتى وقت قريب، كانت هذه الخواص الافتراضية الهائلة للتشكيلات الاصطناعية أو الدقة المحدودة للعارضات المتشابكة التي لا يمكن التنبؤ بها.

المؤسسات: الديناميات المتحركة والتعلم المأخوذ من الآلات

محاكاة ديناميكية: بصصير الذري - السلك، تكاليف ماكروسكوبيك

الديناميات المتحركة هي تقنية حسابية تحاكي تطور الزمن للذرات والجزئات عن طريق حل معادلة الحركة في نيوتن، وبالنسبة لنظم البوليمر، توفر وزارة الدفاع إمكانية الوصول إلى الروابط الهيكلية، وديناميات السلاسل، ودرجات الانتقال من الزجاج، والاستجابة الميكانيكية تحت الضغط، وظواهر النقل - كلها في مستوى الأشعة أو الترميزية العالية.

وتتوقف دقة الـ MD بشكل حاسم على الإمكانات الكامنة بين الطماطم، أو ميدان القوة، وتتم الآن تصنيف حقول القوة الكلاسيكية مثل برمجيات حظر الألغام المضادة للأفراد، أو نظام كربون المشبع بالفلور، في فئات واسعة من الجزيئات العضوية، ولكنها تفتقر في كثير من الأحيان إلى الخلاص اللازم لكيميائيات متعددة المقاييس.

التعلم في مجال الآلات: من البيانات إلى الافتراضات

(ب) التعلم في مجال الأشعة، وبخاصة التعلم العميق، يوفر وسيلة لبناء نماذج بديلة ترسم هيكل البوليمرات وتكوينها على الممتلكات المستهدفة دون أن تحفز صراحة كل ذرة في كل خطوة من مراحلها، وفي مجال علم المواد، تشمل المهام المشتركة في مجال أشعة مغنطيسياً التراجع (تدريب التعددية في المنهجيات)، والتصنيف (تحديد البوليمرات الضوئية)، والنماذج الجيني (ت الجديدة).

وتكمن الإمكانات التحويلية لـ ML في قدرتها على التعلم من أحجام كبيرة من البيانات التي تولدها وزارة الدفاع، ومن خلال التدريب على ملايين التشكيلات الذرية وما يرتبط بها من طاقات وقوى، يمكن لنموذج ML أن يكرر بفعالية دقة حقول القوى الدوائية أو ذات الجودة العالية في جزء ضئيل من التكلفة الحسابية، وقد أصبحت هذه المواد التي تشكل مفهوماً للتعلم المائي فيما بين الطوابق.

التكامل التآزري بين القانون النموذجي للتحكيم و MD

قدرات التعلم فيما بين الطماطم

وتحل مشاريع الطاقة المتعددة الأطراف محل حسابات القوة الميكانيكية التقليدية أو الكمية بشبكة عصبية أو نموذج قائم على الكينل ويتعلم سطح الطاقة المحتمل مباشرة من البيانات المرجعية، وقد أظهرت المقومات الصناعية مثل شبكات بيهلر - بارينيلو العصبية، وعمودية الديوكسينات، وشبكات التجاوزات المتوازنة للرسالة (مثلاً، النيكيب، والشركة الألمانية للتعاون التقني) دقة ما يقرب من مائة مرة

وقد أظهرت دراسة رائدة أجراها ديب ميند وشركاؤه أن الإمكانات القائمة على شبكة إن إن إن إن إن يمكن أن تتنبأ بدقة بقوى البوليثيلين المتفجرة تحت الضغط، وتضاهي نتائج الاختبارات التي أجريت على قوة واحدة، وتُعدّ في الآونة الأخيرة خطط متعددة الأطراف متعددة الأطراف تتعلق بمركبات متعددة الأطراف، وتُتوقع ببوليميرات متعددة، وتُحدّد فيها أخطاء أقل من 000 10 متر.

النمذجة البديلة لبيانات وزارة الدفاع

فبعد إمكانيات البناء، يمكن أن تكون نماذج حركة التحرير بمثابة بدائل لأخطاء محاكاة متعددة الأبعاد، وعلى سبيل المثال، يمكن تدريب شبكة عصبية عميقة على مجموعة بيانات من مسارات السحب المتعددة الأبعاد للتنبؤ بدرجات الحرارة المتعددة للزجاج نظراً لتكوينها ووزنها الجزيئي، ويمكن أن تفرز هذه النماذج مئات التشكيلات المرشحة في دقائق، بينما تعني قيم السحب المتعددة الأبعاد التي تُدرَّب في حالة واحدة.

ويكتسب النموذج البديل قوة خاصة عندما يقترن بهندسة المجندين، إذ يمكن للباحثين، عن طريق تزييف سلاسل البوليمر باستخدام صورها الخاصة بالتمزق الديهندرائي، أو طولها المستمر، أو توزيعها مجانا، أن يبنيوا نماذج يمكن تفسيرها تكشف عن السمات الجزيئية التي تؤثر بشدة على الممتلكات المستهدفة، وهذه الرؤية تسترشد بالتصميم الرشيد: مثلا، تحديد أن زيادة التصلب الرئوي هو أكثر الوسائل فعالية في رفع مستوى القوة التراكمية في التر، أو تلك المجموعة المتدنيوية.

التعلم النشط والتأهيل الأمثل في بايزي

وكثيراً ما يُستخدم إدماج القانون النموذجي في حلقة تصميم وزارة التنمية التعلم النشط للتحسين المتكرر للنماذج مع التقليل إلى أدنى حد من عدد المحاكاة الباهظة التكلفة، حيث يحدد خوارزمية التعلم الفعالة أكثر المرشحين غير مؤكدين أو الواعدين، ويديرون البطاريات المتعددة الكلورات على تلك البطاريات، ويضيفون النتائج إلى مجموعة التدريب، ويعادون إلى بعضها دون تدخل بشري، وقد استخدم هذا النهج المغلقة لتصنيف البوليمرات متعددة الصور المتحركة.

ويوسع هذا المفهوم إلى أقصى حد بنموذج واضح للوظيفة الموضوعية )مثلاً، السلوكيون( وعدم التيقن الذي يكتنفه باستخدام العمليات الغوسية، ثم يقترح الخوارزمية التكوين البوليمر المقبل لتحفيز وموازنة استكشاف المناطق غير المعروفة بالاستغلال في مناطق ذات أداء عالي، وفي العمل الأخير، اكتشف الهيكل الميكانيكي المختلط الذي يقترن بنتيجة مزدوجة ومتينة.

تطبيقات في تصميم المواد البوليمرية

الامتيازات الميكانيكية: التأشير على القوة والسعال

تم تحديد السلوك الميكانيكي للبوليمرات - عقيدة يونغ، الإجهاد، القوة الغامضة، القوة المطلقة، القوة -

وبالنسبة لبوليمرات شبه الكريستالات مثل البوليثيلين وبوليبروبيلين، فإن التفاعل بين المناطق المسيلية والمورفينية يحدد الأداء الميكانيكي، وقد استخدمت نماذج ML التي تم تدريبها على بيانات الأشعة المقطعية لتشوه الكريستال الواحد في الوقت الراهن لتبديل النماذج الحسابية المستمرة للقطع الملغومة بالحقن، مما يتيح إجراء اختبارات افتراضية لمقاومة التأثير وحياة الدهون.

مسارات النقل

إن السلوك الحراري في البوليمرات منخفض بشكل ملحوظ، ولكن التصميم الدقيق لمواءمة السلسلة وتشتت المواسير يمكن أن يعززه، ويمكن لعمليات المحاكاة التي تجريها وزارة النقل البحري مع برامج النقل البحري أن تفسر بدقة كثافة الدول المزيفة وأن تُعنى مسارات حرة، تُدمج بعد ذلك في نماذج متعددة العناصر من أجل التنبؤ بالسلوك الحراري كوظيفة من وظائف الوزن الجزيئي، والتوجه، والنتيجة الافتراضية للتشغيلان.

(أ) إنّ التصرّف الأوني في البطاريات ذات البوليمرات الصلبة هو مجال آخر يُعتبر فيه تكامل حركة تحرير السودان/الدماء متسارعاً، ويتوقف نقل أيون الليثيوم بشكل حساس على الديناميات الجزئية لاستضافة البوليمر، التي يمكن أن تُستحوذ عليها محاكاة MD، وقد تم تطوير نماذج للتنبؤ بها نظراً لطول خط الديكتري، ودرجة حرارة التحول الكثروبية، ودرجة الحرارة الثابتة من التراكمية، ودرجة الحرارة العالية، ودرجة المكوّة.

Polymer Nanocomposites and Interfaces

وتؤدي العلاقة بين البوليمر والجسيمات النانوية دورا حاسما في الممتلكات التي تخص النانويكات، ومع ذلك يصعب بشكل ملحوظ وصفها بصورة تجريبية، ويمكن للباحثين القائمين على مشروع تجديد نظم الإدارة أن يحفزوا الآن استيعاب السلاسل المتعددة المورّدات في سيليكا، أو مركبات الكربون البحرية، أو الإطار الميكانيكي للمركبات المعدنية ذات الدقة الضمنية.

وبالإضافة إلى التعزيز، استخدم التكامل بين حركة تحرير الكونغو وشمال البحر الأبيض المتوسط في تصميم المعاطف المتعددة المرطبة ذات القابلية للبلوغ ومقاومة القاذورات، وذلك مثلاً عن طريق تحفيز التفاعل بين المياه والأسطح المبلورة ببوليمر واستخدام شبكة مجزية للتنبؤ بزوارق الاتصال، حدد فريق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الكثافة القصوى وسلاسل التطابق بين أسطح العصيان ذاتية.

Polymersable and Responsive

وقد كان تصميم البوليمرات القابلة للتحلل الأحيائي مع معدلات تردي دقيقة أمرا بالغ الأهمية بالنسبة للزروعات الطبية والتغليف، ويمكن لعمليات المحاكاة التي تستخدمها وزارة الدفاع أن تتبع آليات تفكيك الروابط الهيدرولية، ولكنها تتطلب مجالات قوة رد الفعل تكون دقيقة ومكلفة على حد سواء، وهنا أظهرت إمكانيات التدفق المتعدد الوسائط التي تم تدريبها على بيانات " ReaxFF " قدرا كبيرا من الإثراء، مما أتاح للباحثين تقدير تردي البوليسترات ونماذين على نماذج الترج والمعادل ذات الصلة.

والبوليمرات المستجيبة للحوافز أو " الذكية " التي تتغير شكل أو لون أو سلوكية استجابة لدرجات الحرارة أو الصحة أو الضوء هي حدود أخرى، وقد استخدم التكامل بين حركة تحرير الكونغو الديمقراطية لتحقيق الحد الأمثل من درجة حرارة الحل الحرجة الأدنى (LCST) من الجيل الهيدروجيني المتعدد الأبعاد (N-isopropylacrylamide) وذلك باستكشاف نسب الكيمونية واستخدام الكثثبان المتقاطعة 120.

التحديات والحدود

سجّالة البيانات ونوعيتها

وعلى الرغم من وعدها بأن وزارة الدفاع المتعددة الجنسيات تواجه عقبات كبيرة، فبيانات التدريب العالية الجودة بالنسبة للشراكات المتعددة الأطراف تتطلب إما حسابات باهظة التكلفة أو إمكانات كلاسيكية مثبتة بعناية، وبالنسبة للبوليمرات التي لها سلاسل مركبية معقدة، مثل الفلور أو الحزمة الفوقية التي تحتوي على الكبريت، فإن بيانات إدارة الدعم التقني قد تكون شحيحة أو غير متسقة في مختلف الوظائف.

القابلية للتحويل والاستقراء

ويمكن أن تؤدي نماذج البوليسترات، ولا سيما شبكات النيوزيائية العميقة، أداء ضعيفا عندما يطلب منها التنبؤ بخواص البوليمرات التي تقع خارج نطاق توزيعها التدريبي، وقد يفشل نموذج مدرَّب على البوليسترامترات التي تعمل بالخط في البوليسترامترات التي تعمل بالضغط العالي، حيث أن التعلم في مجال النقل والتدريب المتعدد الأطوارق هما مجالان البحث النشط الذي يهدف إلى تحسين التعميم، ولكن لا توجد حتى الآن أي إمكانية عالمية للبوليمرات الجديدة على مستوى الباحثين، ولذلك يجب أن يحددوا بدقة النطاق الكيميائيين النطاق الكيميائي الذي يتسم به.

تكاليف التدريب الحاسوبية

وفي حين أن الاختبارات المتعلقة بإمكانية استخدام نظام متعدد اللغات سريع، فإن التدريب يمكن أن يكون كثيفاً للغاية من حيث الموارد، فالشبكات التي تتعدى على الرسائل المحتوية على العديد من الطبقات والملايين من البارامترات تتطلب مجموعات من اليورانيوم المستنفد ذات ذاكرة كبيرة، ويمكن أن يستغرق التدريب يوماً إلى أسابيع، كما أن المقياس المتعدد المقاييس يخفف من التكلفة، وهذا الاستثمار الأولي يمكن تبريره للفحص العالي المخرج، ولكن قد يكون محظوراً بالنسبة لمجموعات الأكاديمية الفردية.

الاتجاهات والفرص المستقبلية

التكامل مع تجربة إنتاج الطاقة العالية

وسيأتي القفزة التالية من إغلاق الحلقة بين توقعات وزارة الدفاع وتوليف التجارب العالية المخرجات والتميزات، ويمكن للمنصات التوليفية الآلية أن تنتج مئات من المتغيرات المتعددة المقاييس في اليوم، بينما يُنتج الاختبار الآلي (العلم، والنسيج، والنسخة الموحّدة) بيانات للتثبت وإعادة التدريب.

منظمة العفو الدولية المفسَّرة للتصميمات البوليمرية

ومن الانتقادات المشتركة لقائمة المواد في علوم المواد، طبيعة التنبؤات " الصندوق الأسود " ، التي تعوق الفهم العلمي والثقة، وتطوير أساليب تفسيرية مفسرة - مثل قابلية تفسيرية قائمة على الاهتمام في الـ " GNNs " ، أو قيم النهج المنسق في مجال المواد الكيميائية لأهمية السمات، أو الصورة المصورة المصورة المتأخرة - تتيح للباحثين أن يروا فقط [FLT:]

المنصات التعاونية ومجموعات البيانات المفتوحة

ويتوقف التقدم المحرز في هذا المجال على توافر مجموعات كبيرة من البيانات المشفوعة بأجهزة محاكاة متعددة الوسائط مرتبطة بالممتلكات التجريبية، وقد بدأت مبادرات مثل مشروع المواد، والمؤسسة الوطنية للتنمية الزراعية، وقاعدة البيانات المتعددة البوليمرات سد هذه الفجوة، ولكنها تحتاج إلى مشاركة ميكانيكية أوسع نطاقاً، وتسهم أشكال البيانات الموحدة، وسير العمل على المحاكاة المفتوحة المصدر، ومنصة التدريب القائمة على السحابة.

خاتمة

إن إدماج التعلم الآلي في الديناميات الجزيئية هو تحويل تصميم المواد المتعددة المركّبات من مادة تعتمد على الحس والتجريب التسلسلي إلى علم تنبؤي مدفوع بالبيانات والمقاييس، ومن الإمكانات المركبة المتعددة اللبنات التي تُحدث الدقة في البيوت إلى محاكاة ملايين الطماطم، إلى نماذج بديلة تُسلّم حيزاً كيميائياً في السرعة الرقمية، وهذه الأدوات تتيح تصميماً وظيفياً مصمّماً.