美國(guó)“材料基因組計(jì)劃”（Materials Genome Initiative，MGI）自2011年啟動(dòng)，總的思路是將最強(qiáng)計(jì)算（包括人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)）與材料科學(xué)領(lǐng)域的最佳創(chuàng)意相結(jié)合，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，使美國(guó)在最高需求制造業(yè)和新興技術(shù)市場(chǎng)更具競(jìng)爭(zhēng)力。該計(jì)劃非常認(rèn)同的是，開發(fā)先進(jìn)材料對(duì)于應(yīng)對(duì)來自能源、超級(jí)計(jì)算、國(guó)家安全和醫(yī)療保健領(lǐng)域的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

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在起始階段，當(dāng)該計(jì)劃一開始建立時(shí)，由于創(chuàng)建者正在構(gòu)建其信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，因此進(jìn)展緩慢。首先，必須找到可行的方法來收集有關(guān)材料的信息，然后存儲(chǔ)和操控這些信息。計(jì)算能力必須滿足創(chuàng)新者的需求。

該計(jì)劃實(shí)施以來，一個(gè)早期成功案例來自冶金行業(yè)。造幣廠要求美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家研究5美分硬幣的新配方，這是由于全球?qū)︽囎鳛楹辖鹪氐男枨笕找嬖黾樱圃戽噹诺某杀旧亮?美分。NIST的研究人員沒有從材料開始，圍繞材料限制設(shè)計(jì)產(chǎn)品，而是根據(jù)造幣廠提出的一系列需求，來設(shè)計(jì)滿足產(chǎn)品需求的材料。利用已有的設(shè)施裝備，研究人員僅用18個(gè)月設(shè)計(jì)出了不同類別的硬幣材料，顯著短于采用傳統(tǒng)方法所需的3-5年時(shí)間。研究團(tuán)隊(duì)把相關(guān)數(shù)據(jù)提交給了材料創(chuàng)新設(shè)施，使得其他人員在將來可以更輕松地設(shè)計(jì)新的硬幣材料。這正如新硬幣項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Carelyn Campbell所說，材料基因組計(jì)劃的一個(gè)重要目標(biāo)就是使材料數(shù)據(jù)更易于獲取和重復(fù)使用。

除了眾人熟知的材料，該計(jì)劃也鼓勵(lì)新型（新興）材料所需的基礎(chǔ)研究。以石墨烯為例。2018年1月，該計(jì)劃資助的NIST團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，通過模擬石墨烯薄片熔化，如果加熱至1600K（約1327℃）以上，石墨烯將轉(zhuǎn)變成粘液態(tài)，并像紙一樣皺折，冷卻成玻璃態(tài)后變成“泡沫狀”。這些特質(zhì)使石墨烯可成為高溫下的優(yōu)異潤(rùn)滑材料，并在室溫下可作為過濾材料。此外，該材料抑或是一種強(qiáng)大的滅火劑。這些信息可能對(duì)世界上急需在制造過程中使用石墨烯的其他人非常有幫助。

由NIST資助、位于芝加哥的先進(jìn)材料卓越研究機(jī)構(gòu)——分級(jí)材料設(shè)計(jì)中心（Center for Hierarchical Materials Design，CHiMaD）匯集了眾多專注于材料基因組計(jì)劃目標(biāo)的行業(yè)合作伙伴和顧問，涉及結(jié)構(gòu)工程、半導(dǎo)體、軟件與IT服務(wù)、化學(xué)工程和糖果制造等。迄今為止，該中心已與300多名本科生、畢業(yè)生、博士后研究人員和專業(yè)人士合作，教導(dǎo)他們探索新材料，并分享在公共和私營(yíng)部門與他人學(xué)到的知識(shí)，以推動(dòng)未來整個(gè)材料領(lǐng)域的發(fā)展。

NIST數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索專家Bob Hanisch指出，當(dāng)前有很多機(jī)器學(xué)習(xí)方法可供選擇，但是有很多陷阱。如果沒有相關(guān)背景，任何類型的機(jī)器學(xué)習(xí)算法的結(jié)果都將只是徒勞。可以根據(jù)材料的性質(zhì)和性能來標(biāo)記材料微結(jié)構(gòu)的圖像，然后進(jìn)行編目。一段時(shí)間后，特定的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)將開始檢測(cè)樣品。但這只是數(shù)據(jù)收集工作。機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)物質(zhì)世界一無所知，需要有輸入系統(tǒng)的背景信息。此外，為克服不同研究人員使用不同術(shù)語描述相同主題、過程和材料組分的弊端，NIST開發(fā)了基于web的材料資源注冊(cè)表，想要提交數(shù)據(jù)的人員必須使用Hanisch及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的列表中的預(yù)定義詞匯表。

在數(shù)據(jù)庫開發(fā)方面，2018年，一支由NIST、能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)西北大學(xué)和硅谷企業(yè)Citrine Informatics組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)宣布，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)找到了一條發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)金屬玻璃的捷徑，所耗費(fèi)時(shí)間和成本只是先前估算的很少一部分。在過去50年里，人們發(fā)現(xiàn)了約6000種可形成金屬玻璃的不同材料組合；而通過機(jī)器學(xué)習(xí)，材料基因組計(jì)劃資助的該團(tuán)隊(duì)僅一年時(shí)間就能夠篩選出逾20000種可用于制備玻璃的金屬。

NIST的材料基因組計(jì)劃負(fù)責(zé)人Jim Warren說，該計(jì)劃每年可為美國(guó)經(jīng)濟(jì)帶來1230億-2700億美元的資金。一旦基礎(chǔ)設(shè)施建好，各種新的商業(yè)模式將會(huì)涌現(xiàn)。這對(duì)于材料領(lǐng)域的發(fā)展來說是一件好事。