耐腐蝕新材料研究進(jìn)入大數(shù)據(jù)新時(shí)代，北京科技大學(xué)用AI新范式“算”出新材料
2024-05-30 16:23:08
作者：腐蝕與防護(hù) 來源：腐蝕與防護(hù)
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在北京科技大學(xué)科技樓里，溫度、濕度、腐蝕電流、腐蝕等級(jí)……來自海上風(fēng)電、地下管網(wǎng)、川藏地區(qū)重點(diǎn)工程等全國各地典型環(huán)境和場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，正在源源不斷地實(shí)時(shí)傳輸?shù)絿也牧细g與防護(hù)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（以下簡稱腐蝕數(shù)據(jù)中心）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和展示平臺(tái)上。
國家材料腐蝕與防護(hù)科學(xué)數(shù)據(jù)中心常務(wù)副主任、北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心副主任張達(dá)威將腐蝕數(shù)據(jù)中心的工作概括為“給材料看病”，而這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集來的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于積累了越來越多的“病例”。“目前我們的主要任務(wù)是從這些‘病例’中挖掘更多可以‘喂’給人工智能的信息，即利用‘大數(shù)據(jù)+人工智能’技術(shù)，加速耐腐蝕新材料的發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等流程。”近日，張達(dá)威在接受記者采訪時(shí)說。
進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代
材料腐蝕研究長期以來是我國科研工作者的重要課題。北京科技大學(xué)是我國材料腐蝕研究的發(fā)源地之一。在國家大力推進(jìn)科學(xué)數(shù)據(jù)共享應(yīng)用的背景下，腐蝕數(shù)據(jù)中心于2019年在該校成立，成為全國20個(gè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心之一。
該中心的主要任務(wù)就是整合資源，打造國家級(jí)材料腐蝕數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)，同時(shí)基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，開展材料基因工程模式下先進(jìn)耐蝕材料與防護(hù)技術(shù)協(xié)同研究。數(shù)據(jù)采集是第一步。此前，科學(xué)家們主要通過在典型服役環(huán)境進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn)來收集腐蝕數(shù)據(jù)。“幾代科學(xué)家在幾十年間，艱難積累了幾千萬條腐蝕數(shù)據(jù)。”張達(dá)威說，但這些數(shù)據(jù)連續(xù)性不強(qiáng)，很難精確反映動(dòng)態(tài)、多變的環(huán)境因素對(duì)腐蝕過程的影響。
“如今，我們的材料腐蝕研究已進(jìn)入大數(shù)據(jù)新時(shí)代。”張達(dá)威說，通過腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合新型腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)與先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該中心建立了全球最大的材料腐蝕數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，該中心建成了擁有近千種關(guān)鍵材料、50多億條數(shù)據(jù)的全球最大材料腐蝕數(shù)據(jù)庫。基于這些數(shù)據(jù)，該中心開發(fā)了高品質(zhì)低合金耐蝕鋼和長壽命智能防腐涂層等新材料。“我們正在構(gòu)建第五代材料腐蝕數(shù)據(jù)庫，通俗來說就是，進(jìn)一步解讀源源不斷產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，找到它們之間的關(guān)聯(lián)，讓它們能智能關(guān)聯(lián)檢索，讓這個(gè)數(shù)據(jù)庫更‘聰明’。”張達(dá)威說。“要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要強(qiáng)大的算力和算法的支撐。”張達(dá)威說。傳統(tǒng)的新材料研究主要以實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)，又被稱為“試錯(cuò)式”研究方法，通過改變材料成分、合成手段、工藝參數(shù)等條件制備系列樣品，選出其中性能最合適的材料。“這種傳統(tǒng)方式依賴于經(jīng)驗(yàn)和理論，需要經(jīng)歷反復(fù)實(shí)驗(yàn)，材料研發(fā)周期長、成本高。”張達(dá)威說，如今，新材料研發(fā)已進(jìn)入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)階段，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，計(jì)算是關(guān)鍵。以耐蝕材料研發(fā)為例，材料腐蝕過程機(jī)理十分復(fù)雜，溫度、濕度、應(yīng)力等環(huán)境因素，成分、加工、結(jié)構(gòu)等材料因素，時(shí)間尺度等累積效應(yīng)，都是材料需要考慮的因素。張達(dá)威說，在防腐涂層的研究領(lǐng)域，科研人員要在成千上萬種緩蝕成分中篩選緩蝕性能最佳的體系；有了大量數(shù)據(jù)的支撐，就可以針對(duì)不同金屬材料、不同腐蝕環(huán)境進(jìn)行緩蝕成分的高效篩選和設(shè)計(jì)，極大提升研發(fā)效率。
在耐蝕材料和防護(hù)技術(shù)的研發(fā)過程中，需要調(diào)控的變量眾多，使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，這樣的實(shí)驗(yàn)要做成百上千次，往往無法得到最優(yōu)解。“現(xiàn)在，我們利用人工智能技術(shù)，通過不同的腐蝕預(yù)測(cè)模型，對(duì)材料性能進(jìn)行仿真測(cè)試，就可以快速得到材料在不同環(huán)境下的效果。”張達(dá)威說。因此，新材料研發(fā)周期從以前的10~20年縮短到3~5年甚至更短，“算”出新材料成為可能。
他分析道，在以前通過經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)傳統(tǒng)方法研發(fā)材料的時(shí)代，發(fā)達(dá)國家積累的大量數(shù)據(jù)我們無從得知，差距也很難追趕；而現(xiàn)在，快速獲取海量數(shù)據(jù)并由數(shù)據(jù)反哺新材料研發(fā)成為可能。“我們將進(jìn)一步與浪潮信息等提供算力基礎(chǔ)設(shè)施的企業(yè)加強(qiáng)合作，通過算力，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識(shí)和價(jià)值，助力我國新材料的研發(fā)。”張達(dá)威說。近日，國家數(shù)據(jù)局等17部門聯(lián)合印發(fā)的《“數(shù)據(jù)要素×”三年行動(dòng)計(jì)劃（2024—2026年）》指出，以科學(xué)數(shù)據(jù)支撐技術(shù)創(chuàng)新，聚焦生物育種、新材料創(chuàng)制、藥物研發(fā)等領(lǐng)域，以數(shù)智融合加速技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。該中心在算力支撐下，在新材料研發(fā)中充分發(fā)揮了數(shù)據(jù)要素的乘數(shù)效應(yīng)，“算”出了新材料。
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