{首页主词},&

前沿 | “NASA材料基因工程2040規(guī)劃”研究與思考

2020-02-04 20:35:53 作者：高鴻來源：材易通分享至：

引言

材料顯微組織及其中的原子排序決定材料的性能，就像人體細(xì)胞里的基因排列決定人體機能一樣。美國在2011年6月提出“材料基因組計劃”（Materials Genome Initiative），其核心是利用正在發(fā)展的高通量計算、高通量試驗、大數(shù)據(jù)信息技術(shù)，尋找和建立材料從原子排列到微觀組織形成直到材料性能與壽命之間的關(guān)系。材料基因技術(shù)建立的初衷是為解決軍工領(lǐng)域新材料從開發(fā)到成熟應(yīng)用周期跨度長（一般10~20年）、開發(fā)成本高的瓶頸，早期識別材料失效模式和性能局限，建立國防領(lǐng)域?qū)Ω咝阅荜P(guān)鍵材料快速開發(fā)、可靠性應(yīng)用的研發(fā)體系。

傳統(tǒng)的軍工材料研發(fā)與應(yīng)用模式主要是以實驗為主的“試錯法”，周期長、效率低。隨著大數(shù)據(jù)計算技術(shù)的發(fā)展，大部分材料的設(shè)計與性能評價可通過計算工具完成，不僅能深入理解材料的細(xì)節(jié)，也能逐步替代重復(fù)試驗，減少對物理實驗的依賴，從而加快材料研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)程。大數(shù)據(jù)計算技術(shù)已在鋰離子電池材料、光電材料、新型信息存儲材料等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，并逐步在各大工程領(lǐng)域推廣。

2018 年，NASA發(fā)布《2040愿景：材料體系多尺度模擬仿真與集成路徑》（Vision 2040: a roadmapfor integrated, multiscale modeling and simulation ofmaterials and systems），該項規(guī)劃（以下簡稱NASA材料基因計算體系）是NASA針對材料基因計算的有效分解和具體行動路徑。

本文對“NASA材料基因工程2040規(guī)劃”中計算體系建設(shè)的目的、功能及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，并總結(jié)我國材料基因工程的實施及發(fā)展情況，倡導(dǎo)將材料基因工程理念延伸至航天材料的研制，針對航天材料基因工程總體方向、核心技術(shù)、發(fā)展路線提出思考，旨在對我國航天材料的發(fā)展提供借鑒。

構(gòu)建材料基因計算體系的目的和愿景

NASA材料基因計算體系是基于過去10年所發(fā)展起來的高速計算方法、新材料表征測試技術(shù)以及近期發(fā)展的集成計算材料工程（integrated computational materials engineering, ICME）而提出的，將從體系和基礎(chǔ)設(shè)施2個方面整體推進(jìn)，打通材料到制造體系全鏈條模型和計算技術(shù)，實現(xiàn)利用材料計算化學(xué)驅(qū)動航天器部組件先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)，創(chuàng)建航天器產(chǎn)品-加工-材料體系并行設(shè)計、快速開發(fā)流程（參見圖1）。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

圖 1 航天器產(chǎn)品-加工-材料體系并行設(shè)計快速開發(fā)流程

NASA 在項目支持下研究結(jié)構(gòu)載荷材料多尺度模型對加快系統(tǒng)研發(fā)速度和降低成本所能起到的作用，以期利用結(jié)構(gòu)材料基因計算協(xié)同解決：1）通過模型引導(dǎo)材料設(shè)計（例如復(fù)合基體、晶粒尺寸、編織結(jié)構(gòu)）；2）依靠多尺度模擬計算預(yù)測材料設(shè)計對產(chǎn)品機械性能和可靠性的影響，優(yōu)化工藝模型以獲得微結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計等先進(jìn)制造工藝參數(shù)；3）采用材料大數(shù)據(jù)處理以完成材料健壯性設(shè)計。

該項目實施過程中，基于大量的調(diào)研研討、實際試驗，由450名研究者共同總結(jié)出為打破材料科學(xué)和工程應(yīng)用的鏈條需要協(xié)同發(fā)展的9大要素，即：計算模型和理論方法；多尺度測試表征工具和方法；優(yōu)化和優(yōu)化方法；決策與不確定度量化及管理；驗證與確認(rèn)；數(shù)據(jù)信息與可視化；工作流程和組織框架；教育培訓(xùn)；計算基礎(chǔ)設(shè)施?！兑?guī)劃》分別對各要素的定義、包含的技術(shù)、2040年欲實現(xiàn)的目標(biāo)、目前技術(shù)差距、發(fā)展建議措施以及要素之間關(guān)系進(jìn)行闡述。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計到2040年，9大要素將從分散的技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)發(fā)展成協(xié)調(diào)一體的綜合計算技術(shù)能力，如圖2所示。

圖 2 NASA材料基因計算體系9大要素集成愿景

NASA預(yù)測未來通過9個要素協(xié)同環(huán)境的建設(shè)，新數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分享、數(shù)據(jù)分析工具、先進(jìn)建模能力、有效的協(xié)作能力、通用化標(biāo)準(zhǔn)方法將成為未來航天領(lǐng)域快速設(shè)計、低成本高效率制造的重要基礎(chǔ)。預(yù)計2040年將實現(xiàn)5個主旨目標(biāo)（見表1）。

NASA材料基因計算體系的功能及主題

8項功能

1 提升材料數(shù)據(jù)應(yīng)用效率和計算設(shè)計工作能力

據(jù)調(diào)查，在美國材料數(shù)據(jù)中有40%的數(shù)據(jù)在一次性使用后即被丟棄。而通過材料基因計算體系建設(shè)，將確保數(shù)據(jù)不會丟失，并可自動淘汰重復(fù)或不確定的數(shù)據(jù)。該體系將通過免費共享數(shù)據(jù)資源，節(jié)省百萬美元測試評價費用，并通過數(shù)據(jù)模擬計算實現(xiàn)材料的快速更新。

2 聯(lián)盟化的信息操作體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)

NASA計算中心將利用可互操作的數(shù)據(jù)格式、文本、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議，實現(xiàn)地域性分散的數(shù)據(jù)報告，包括公共和私有數(shù)據(jù)資源的互通應(yīng)用。聯(lián)盟化的信息操作體系將涵蓋學(xué)術(shù)界、政府機構(gòu)、企業(yè)、專業(yè)協(xié)會/貿(mào)易組織以及國家實驗室等多項數(shù)據(jù)源（圖3），進(jìn)行融合互通應(yīng)用

圖 3 數(shù)據(jù)聯(lián)盟比例

3提高工程投入回報率

不正確的材料數(shù)據(jù)及不合格的材料或系統(tǒng)模型極大影響政府機構(gòu)和企業(yè)對計算工程工具進(jìn)行重大投資的有效性。通過建立協(xié)作化的生態(tài)系統(tǒng)，提供可追溯、可預(yù)測的數(shù)據(jù)信息，提供已被證實或被驗證的數(shù)據(jù)模型，以及可靠的時間和空間轉(zhuǎn)化鏈接工具，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計制造需要的全鏈條式信息源的提供，提高投入回報率。

4集成型“智能”測試

利用杠桿模型和模擬計算，多目標(biāo)優(yōu)化方法與試驗測試集成，形成“智能”測試系統(tǒng)。這有利于減少物理性的測試量，以節(jié)約成本和時間。

5多學(xué)科集成合作環(huán)境

通過體系建設(shè)，利用所建立的政策、組織、文化以及技術(shù)形成交叉工業(yè)體系模式，從而提升美國工程制造水平和競爭力。

6大幅度擴大設(shè)計空間和制造能力

運用先進(jìn)的多尺度優(yōu)化方法，包括概率論、制備路徑依存優(yōu)化等，模擬材料本征性能和工藝產(chǎn)品性能，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升設(shè)計空間和制造能力。

7快速實現(xiàn)新設(shè)計應(yīng)用

通過模型優(yōu)化和計算能力的提升，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計到制造、功能驗證的一體化發(fā)展，促進(jìn)新設(shè)計快速應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

8培育高水平技術(shù)人員隊伍

通過集成式的體系建設(shè)，技術(shù)人員在跨學(xué)科領(lǐng)域得到全面培養(yǎng)，設(shè)計仿真計算人員能夠深入結(jié)合材料基礎(chǔ)、工藝基礎(chǔ)，依靠大數(shù)據(jù)應(yīng)用，構(gòu)建更為復(fù)雜的多尺度、跨尺度結(jié)構(gòu)模型，材料設(shè)計、研發(fā)、應(yīng)用技術(shù)人員可使用更為科學(xué)的計算技術(shù)實現(xiàn)材料到系統(tǒng)設(shè)計的快速革新。

10項主題

1數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要依靠數(shù)據(jù)的捕獲、存儲、分類，以及材料數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)元跟蹤挖掘能力，涉及收集模式、體系化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、原始數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用等。

2數(shù)據(jù)分析和可視化

數(shù)據(jù)分析和可視化是體現(xiàn)分析和表現(xiàn)數(shù)據(jù)的能力，涉及數(shù)據(jù)抓取和處理，人工智能，機器學(xué)習(xí)，以及不確定度量化。

3信息分享和再利用

信息分享和再利用關(guān)注的是內(nèi)部系統(tǒng)在產(chǎn)品發(fā)展的壽命周期內(nèi)所獲得的并可運用的數(shù)據(jù)信息和信息流，涉及信息安全性和信息可利用性。

4跨學(xué)科合作

跨學(xué)科合作要構(gòu)建符合各行業(yè)，包括工業(yè)、政府、學(xué)術(shù)等領(lǐng)域?qū)＜摇⒓夹g(shù)人員等的綜合利益。利用航天領(lǐng)域應(yīng)用背景將目前分散的設(shè)計、計算、材料等組織聯(lián)合構(gòu)建形成合作平臺。

5制度機制

通過打破政府、學(xué)術(shù)、工業(yè)等不同領(lǐng)域傳統(tǒng)的文化、組織標(biāo)準(zhǔn)以及政策，逐漸融合從公司到大學(xué)的乃至人員隊伍的可操作的制度和運行機制。

6商業(yè)案例

利用典型的應(yīng)用案例，通過經(jīng)濟分析獲得商業(yè)投資回報率。

7可測量和計算的效益

可測量和計算的效益包括計算速度、計算復(fù)雜性、多維需求滿足性。主要包括復(fù)雜計算模型和計算方法的開發(fā)。

8聯(lián)動與集成

聯(lián)動和集成主要指非人工的集成，通過自動化方式處理復(fù)雜的模型、工具、設(shè)備、數(shù)據(jù)流和時空尺度，完成帶隙兼容、集成和數(shù)據(jù)融合。

9輸入輸出置信度和可靠性

輸入輸出置信度和可靠性包含質(zhì)量信息、變量要素、邊界約束條件、不確定度等要素，以及通過模擬、工具和操作系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和魯棒性。

10材料和結(jié)構(gòu)行為

通過對材料、結(jié)構(gòu)和工藝的有效認(rèn)知，增強對材料性能與物理特征之間關(guān)系的科學(xué)理解，涉及測試表征、模擬響應(yīng)、機理行為和制造環(huán)境。

綜上所述，基于8項功能和10項主題，NASA構(gòu)建的材料基因計算體系將在易實現(xiàn)性、高適應(yīng)性、可互操作性、健壯性、可追溯性以及友好性方面大大提升航天材料設(shè)計與制造能力。

我國材料基因工程發(fā)展情況

2011 年7 月，中國工程院和中國科學(xué)院分別召開“材料基因組”研討會，12月召開“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”香山科學(xué)會議；2012年12月和2013年3月，中國工程院和中國科學(xué)院分別啟動“材料基因組計劃”重大咨詢項目；2014年10月中國科學(xué)院向國務(wù)院報送《實施材料基因組計劃，推進(jìn)我國高端制造業(yè)材料發(fā)展》的咨詢建議；2015年2 月，中國工程院向國務(wù)院報送《中國版材料基因組計劃》的咨詢建議。2016年，依據(jù)國務(wù)院《中國制造2025》、科技部《國家關(guān)鍵技術(shù)研究報告》、中國工程院《材料系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究——中國版材料基因組計劃咨詢報告》，國家發(fā)展和改革委員會、教育部、工業(yè)與信息化部、中國科學(xué)院、中國工程院等聯(lián)合編制《材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)和支撐平臺重點專項實施方案》，全面啟動“材料基因組研究”專項研究計劃，先后確定30余個重點研發(fā)方向。

我國材料基因組計劃的目標(biāo)是：融合高通量計算理論、高通量表征和制備技術(shù)、專用材料數(shù)據(jù)庫3大技術(shù)，變革材料研發(fā)理念和模式，實現(xiàn)新材料研發(fā)由“經(jīng)驗指導(dǎo)實驗”的傳統(tǒng)模式向“理論預(yù)測+實驗驗證”的新模式轉(zhuǎn)變；提升工程材料研發(fā)效率，降低研發(fā)成本，突破關(guān)鍵材料核心技術(shù)，促進(jìn)高端制造業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)“中國制造2025”做出貢獻(xiàn)。目前主要技術(shù)領(lǐng)域集中在以下3個方面：

1多尺度集成化高通量計算模型、算法和軟件

研究高通量多尺度材料模擬的建模方法，開發(fā)適用于高通量計算的高置信度和協(xié)同多尺度模擬算法，包括大尺度體系電子結(jié)構(gòu)算法、多尺度動力學(xué)算法、電子-聲子-離子協(xié)同輸運算法、微觀-介觀-宏觀耦合算法等，發(fā)展以第一性原理為基礎(chǔ)的量子力學(xué)-熱力學(xué)-動力學(xué)-宏觀力學(xué)高通量集成算法理論和軟件。

2材料性能的多場耦合與跨尺度關(guān)聯(lián)評價技術(shù)

研究多物理化學(xué)場耦合環(huán)境作用下工程結(jié)構(gòu)材料微缺陷和損傷時空尺度演化的測試與模擬技術(shù)，建立多場耦合條件下材料微損傷演化跨時空尺度關(guān)聯(lián)的高通量評價實驗技術(shù)，獲取材料損傷演化物理圖像和規(guī)律，掌握工程結(jié)構(gòu)材料與多物理化學(xué)場交互作用及耦合機理，建立材料損傷演化與破壞行為的多時空尺度理論模型。

3材料基因工程專用數(shù)據(jù)庫和材料大數(shù)據(jù)技術(shù)

以支撐材料基因工程研究為目標(biāo)，開展多層次跨尺度材料設(shè)計、高通量實驗驗證與表征專用數(shù)據(jù)庫架構(gòu)研究；開展材料復(fù)雜異構(gòu)數(shù)據(jù)整合、管理與共享計算研究和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)，研發(fā)高通量計算、高通量實驗與表征數(shù)據(jù)的高效處理與加工技術(shù)；運用云計算、大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，開展多尺度材料計算與實驗數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析、材料組織結(jié)構(gòu)的高精度圖像處理、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)挖掘等研究，建成材料基因工程技術(shù)專用數(shù)據(jù)。

航天材料基因工程促進(jìn)我國航天器發(fā)展的思考

未來航天器發(fā)展和新技術(shù)挑戰(zhàn)將對材料提出更高的要求。多星發(fā)射、軌道機動和深空探測飛行、可長時間在軌工作、可重復(fù)使用天地往返技術(shù)、高載荷輕量化技術(shù)、結(jié)構(gòu)功能一體化需求，均將對材料提出更為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。把材料基因工程的理念納入到航天材料研制全流程，根據(jù)航天器研制要求，提出航天材料的基本性能需求，利用高通量計算技術(shù)、高通量制備與表征技術(shù)和基于數(shù)據(jù)庫的大數(shù)據(jù)技術(shù)，將極大加快材料研發(fā)速度，提高航天材料設(shè)計的成功率，降低航天器研制成本，并實現(xiàn)向航天器制造領(lǐng)域有效應(yīng)用轉(zhuǎn)化；打破航天材料傳統(tǒng)的“設(shè)計→制備→評價→選用”循環(huán)試錯來積累經(jīng)驗的模式，為宇航工程提供物資保障與技術(shù)支持。當(dāng)前主要工作包括以下3個方面：

01 建立航天器從選材、設(shè)計到制造的數(shù)據(jù)流

航天器從設(shè)計選材到制造，主要是通過獲取材料典型性能數(shù)據(jù)開展。目前，由于數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)建設(shè)較晚，設(shè)計環(huán)節(jié)對材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工程應(yīng)用數(shù)據(jù)關(guān)注度有限，制造過程的數(shù)據(jù)信息對設(shè)計選材階段的反饋不足，綜合導(dǎo)致現(xiàn)階段材料技術(shù)數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)流尚未形成。

加快建設(shè)和補充航天材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息流，構(gòu)建航天材料基因大數(shù)據(jù)庫，將是未來迎接人工智能、大數(shù)據(jù)服務(wù)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用革新的基礎(chǔ)保障。同時應(yīng)注意到發(fā)展航天材料基因工程所涉及的數(shù)據(jù)、知識及工具必將超出航天工程部門使命，故需要協(xié)調(diào)一致的頂層設(shè)計或國家戰(zhàn)略來實現(xiàn)調(diào)動航天管理部門、航天院所、高校、研究機構(gòu)以及其他具有獨特資源（實驗設(shè)備、表征儀器、軟件及工具等）的機構(gòu)共同開發(fā)，協(xié)同攻關(guān)。

02 聯(lián)合國內(nèi)研究隊伍開展基于航天應(yīng)用典型領(lǐng)域計算技術(shù)研究國內(nèi)多家研究機構(gòu)已開展基于特定應(yīng)用領(lǐng)域需求的材料基因計算技術(shù)，包括失效模式識別、新材料開發(fā)與快速應(yīng)用、材料多維服役環(huán)境演變機理等研究工作。航天院所可以在結(jié)構(gòu)、功能材料等領(lǐng)域先行啟動預(yù)先研究，建立合作平臺，積極促進(jìn)材料和設(shè)計特殊模型的驗證，這對于各行各業(yè)材料模擬仿真能力的提升非常有價值。同時應(yīng)倡導(dǎo)系統(tǒng)、模型及材料體系的并行設(shè)計，支持材料基礎(chǔ)研究及開發(fā)，改進(jìn)材料模型，包括第一性原理、分子動力學(xué)（蒙特卡羅模型）以及密度泛函理論；改進(jìn)低維及小尺寸測量技術(shù)及原位測量技術(shù)；改進(jìn)多軸荷載及多維應(yīng)力環(huán)境下的表征技術(shù)，逐步構(gòu)建多維服役環(huán)境計算模型和計算工具；促進(jìn)計算材料科學(xué)、模擬設(shè)計技術(shù)以及表征技術(shù)的快速發(fā)展。

03 構(gòu)建聯(lián)合試驗平臺，促進(jìn)涵蓋空間環(huán)境測試能力的高通量測試與計算平臺發(fā)展在特定應(yīng)用領(lǐng)域打通材料測試和計算服務(wù)局域網(wǎng)，研究可服務(wù)于材料基因計算的空間服役場條件材料微觀測試科學(xué)裝置、高通量數(shù)據(jù)信息收集，應(yīng)用于計算服務(wù)平臺建設(shè)。NASA 將材料基因計算體系定為其顛覆性的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。該項設(shè)施需要通過多領(lǐng)域、多要素的聯(lián)合，構(gòu)建能夠改變未來游戲規(guī)則的新體系，以迎接未來航天任務(wù)快速發(fā)展需求。特別是縮短新材料研發(fā)和應(yīng)用可靠性驗證周期和降低測試確認(rèn)成本，在短期內(nèi)研發(fā)出應(yīng)用成熟度高的新材料。我國在該領(lǐng)域與國外差距較大，但是基礎(chǔ)科學(xué)研究在近年已得到快速發(fā)展，相關(guān)設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)水平逐步與國際持平。未來如何結(jié)合特定工程應(yīng)用背景實現(xiàn)材料計算服務(wù)業(yè)將成為“工業(yè)制造2025”的核心競爭力。

結(jié)束語

“NASA材料基因工程2040規(guī)劃”預(yù)測了未來材料工程的新體系、新技術(shù)，以及長期研究方向，對于中國航天材料基因工程具有參考借鑒意義。同時，須意識到顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)以及法律和資金環(huán)境的變化需要定期評估和修訂，以保證體系的實效性。

我國在材料基因工程方面的布局及規(guī)劃正與時俱進(jìn)，尤其航天材料基因工程在建設(shè)航天強國進(jìn)程中具備巨大的潛力。目前，我國公開擁有P級計算能力的若干超算中心在材料基因工程計算領(lǐng)域開展了大量的基礎(chǔ)研究和示范性應(yīng)用。預(yù)計未來5年，材料基因計算技術(shù)將聯(lián)合各大工程領(lǐng)域，協(xié)同開展應(yīng)用示范，提升我國基礎(chǔ)材料和制造業(yè)的競爭能力。期待在政府、企業(yè)以及科學(xué)界的投入及支持下，頂層規(guī)劃，縝密布局，有效實施，打破航天材料傳統(tǒng)研發(fā)模式，為宇航材料基因工程的實施提供強大的技術(shù)支持與裝備保障。筆者從總體上提出如下建議：

1）航天院所可設(shè)立專門的研究項目，組成協(xié)會，創(chuàng)建專家?guī)?，定期研討、分析關(guān)鍵技術(shù)空白，解決各項挑戰(zhàn)，同時促進(jìn)宇航材料基因發(fā)展路線圖、數(shù)據(jù)庫、軟件以及基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)。

2）航天部門可利用其先進(jìn)技術(shù)牽引的角色，在政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界創(chuàng)造、傳播和維護(hù)材料及系統(tǒng)的知識及信息，協(xié)同其他部門產(chǎn)生更大體量更多樣化的數(shù)據(jù)。航天院所應(yīng)支持工具開發(fā)，支持軟件規(guī)范化，便于自己及其合作伙伴獲取、使用和保存材料數(shù)據(jù)，以增強材料數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性、可重用性，并允許深入分析和可視化，促進(jìn)數(shù)據(jù)庫和模型得到廣泛使用，鼓勵研究人員將人工智能應(yīng)用于材料數(shù)據(jù)庫，以利產(chǎn)生新的發(fā)現(xiàn)和洞見。

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請第一時間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。