2024年諾貝爾化學獎與物理學獎花落人工智能（AI）相關研究項目，這一標志性事件不僅彰顯了AI技術的成熟度，更預示著它正以革新之勢重塑科學研究的固有范式。在化工與材料研發(fā)領域，眾多企業(yè)敏銳捕捉到這一技術變革的浪潮，紛紛投身其中，或自主探索，或攜手科技企業(yè)，借助AI技術賦能科研開發(fā)，力求推動行業(yè)從傳統(tǒng)模式向“預測性設計”和“精準創(chuàng)制”的智能化方向大步邁進。

人工智能技術在化工材料研發(fā)領域的應用

當下，AI技術在化工材料研發(fā)領域已展現(xiàn)出巨大的應用潛力，不少企業(yè)已收獲顯著成果。

巴斯夫引入高性能超級計算機Quriosity，將AI融入分子與化合物模擬計算流程。這一舉措大幅提升了計算效率，能夠快速篩選聚合物結構，加速新型分子和化合物的開發(fā)進程。曾經(jīng)需要耗時一年的計算任務，如今僅需短短數(shù)天即可完成，而且還能挖掘出傳統(tǒng)方法難以察覺的潛在關聯(lián)性，為研發(fā)工作開辟新思路。

陶氏化學與微軟達成合作，將AzureAI和機器學習技術深度整合到聚氨酯等材料研發(fā)中。其構建的AI模型宛如智能大腦，能夠在短短幾秒內對數(shù)百萬種配方組合進行分析篩選，并給出極具針對性的優(yōu)化建議。原本需要4～6個月才能完成的實驗室探索工作，現(xiàn)在僅需30秒就能完成，效率提升約20萬倍，大大縮短了新材料差異化解決方案的上市時間，使企業(yè)在市場競爭中搶占先機。

萬華化學借助AI技術在催化劑篩選環(huán)節(jié)實現(xiàn)了重大突破。面對14000多種備選方案，AI算法迅速篩選出156種具有潛力的選項，隨后進一步優(yōu)化至4種，精準推薦分子合成實驗，極大縮短了研發(fā)周期，讓科研效率得到質的飛躍。

寧德時代則另辟蹊徑，將材料機理、大數(shù)據(jù)分析與AI算法有機結合，加速電解液、正極、包覆等電池材料的開發(fā)。通過這種創(chuàng)新模式，不僅研發(fā)周期縮短了30%，研發(fā)成本也降低了30%，在提升產(chǎn)品性能的同時，有效提升了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

晶泰科技利用量子物理模擬、AI算法與云計算技術搭建智能化藥物研發(fā)平臺，在藥物研發(fā)領域大放異彩。在項目初期，該平臺可生成百萬量級的虛擬分子，并快速篩選出關鍵候選分子。在與輝瑞合作研發(fā)新冠口服藥PAXLOVID時，AI預測算法結合實驗驗證，僅用6周就成功確定優(yōu)勢藥物晶型，而傳統(tǒng)方法則需要數(shù)月以上的時間，充分展示了AI技術在藥物研發(fā)領域的高效性。

從這些案例不難看出，AI技術與多學科知識的深度融合，能夠在海量方案中快速篩選出可行選項，并進一步優(yōu)化，顯著縮短實驗和研發(fā)周期，提高研發(fā)效率。同時，它還能更加精準地實現(xiàn)材料設計、性能預測和工藝優(yōu)化，為研發(fā)決策提供科學、可靠的依據(jù)，加速新材料的發(fā)現(xiàn)與應用，為化工材料領域的創(chuàng)新發(fā)展注入強勁動力。

人工智能技術在化工材料研發(fā)領域面臨的挑戰(zhàn)

盡管AI技術在化工材料研發(fā)領域前景廣闊，但在實際應用過程中，仍面臨著諸多嚴峻挑戰(zhàn)。

01 | 在數(shù)據(jù)層面，主要面臨數(shù)據(jù)稀缺、異構化、質量缺陷等困境

目前，大量有價值的有效數(shù)據(jù)分散存儲于企業(yè)內部，且多以非結構化形式存在，這使得數(shù)據(jù)的流通與整合困難重重。尤其是在新型材料研發(fā)方面，由于缺乏歷史數(shù)據(jù)作為支撐，AI技術面臨著嚴重的“冷啟動”難題。此外，單純依靠實驗獲取數(shù)據(jù)不僅耗時費力，成本也極高，嚴重制約了數(shù)據(jù)的廣泛收集與應用。

在新材料設計過程中，需要融合多種不同類型的數(shù)據(jù)，如分子結構【簡化分子線性輸入規(guī)范（SMILES）】、光譜數(shù)據(jù)（紅外、拉曼）以及工藝參數(shù)（溫度、壓力）等。同時，還需實現(xiàn)從微觀數(shù)據(jù)到宏觀性能的跨尺度數(shù)據(jù)關聯(lián)，這對數(shù)據(jù)處理技術與整合方法提出了極高的要求。然而，不同機構在材料成分標注（如質量分數(shù)與摩爾分數(shù)混用）、實驗條件記錄等方面缺乏統(tǒng)一規(guī)范，導致數(shù)據(jù)融合與模型訓練效率低下。

實驗過程中不可避免地會產(chǎn)生各種誤差，如設備測量誤差、批次誤差等，這些誤差嚴重影響了數(shù)據(jù)的準確性。此外，不同實驗室對于同一現(xiàn)象的定義往往存在較大差異，導致數(shù)據(jù)標注的一致性難以保障，數(shù)據(jù)的可靠性與可用性大打折扣。數(shù)據(jù)質量還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的不均衡性上，在化工材料研發(fā)數(shù)據(jù)中，某些性能優(yōu)良或特殊的材料數(shù)據(jù)占比極少，這使得模型在訓練時難以充分學習少數(shù)類數(shù)據(jù)，從而影響對稀有但重要材料特性的預測和分析。

02 | 在算法和模型層面，面臨模型可解釋性矛盾、多尺度建模時空鴻溝、小樣本學習瓶頸等挑戰(zhàn)

深度神經(jīng)網(wǎng)絡在材料性能預測方面雖然能夠達到較高的準確率，但其內部物化機制的解釋度卻很低，形成了典型的“黑箱模型困境”。究其原因，現(xiàn)有AI模型大多以數(shù)據(jù)驅動為主，缺乏對質量守恒、熱力學定律等基礎物理規(guī)律的有效嵌入，導致預測結果可能與科學常識相悖。因此，如何在保證模型復雜度的同時，提高其物理可解釋性，成為亟待解決的關鍵難題。

材料研發(fā)需要跨越從飛秒級分子動力學到年尺度老化實驗的12個數(shù)量級的時間維度，同時關聯(lián)量子計算與反應器級的空間特征。盡管目前有一些模型框架嘗試通過多尺度理論建模來縮小這一鴻溝，但在實際應用中仍受到計算資源與算法效率的雙重制約。

在新材料研發(fā)場景中，可用數(shù)據(jù)量往往非常有限，通常小于100個樣本數(shù)量，這使得傳統(tǒng)模型的泛化誤差較大。對于未經(jīng)驗證的體系，零樣本探索的預測失效率更高。雖然遷移學習等技術為解決這一問題提供了一些思路，但數(shù)據(jù)噪聲與領域差異仍然顯著影響著模型的遷移效果。

03 | 在人才層面，跨學科知識融合不足、人才培養(yǎng)體系不完善、人才吸引力和留存問題皆不容忽視

化工材料研發(fā)涉及化學、物理等多學科知識，而AI技術則需要計算機科學、數(shù)學、統(tǒng)計學等領域的專業(yè)知識。這兩種知識體系之間存在較大差異，導致既懂化工材料又精通AI技術的復合型人才極度稀缺。此外，AI算法專家與化工材料領域專家之間存在明顯的知識壁壘，雙方溝通協(xié)作困難，也阻礙了算法模型與化工材料研發(fā)的深度融合。

當前，許多從事AI技術的人才缺乏化工材料研發(fā)的實際項目經(jīng)驗，對研發(fā)流程、需求和痛點了解不夠深入。同時，化工材料AI研發(fā)領域的實踐平臺和項目剛剛開始，人才在實踐中積累經(jīng)驗、提升能力還不夠，這也在一定程度上制約了AI技術在該領域的應用與發(fā)展。

AI領域高端人才競爭異常激烈，與互聯(lián)網(wǎng)、金融等熱門行業(yè)相比，化工材料行業(yè)因研發(fā)環(huán)境相對艱苦、待遇水平不高等因素，在吸引和留住人才方面面臨較大壓力，人才流失現(xiàn)象也較為嚴重。

利用AI技術加速化工材料研發(fā)的思考建議

加速AI技術在化工材料研發(fā)中的落地應用，可以從數(shù)據(jù)、算法和模型、人才三個關鍵層面著手應對挑戰(zhàn)。

01 | 在數(shù)據(jù)層面，加強數(shù)據(jù)整合與共享，建立和完善數(shù)據(jù)標準化，提升數(shù)據(jù)質量，挖掘數(shù)據(jù)實現(xiàn)增值

應建立企業(yè)內部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，將各業(yè)務部門、子公司分散的數(shù)據(jù)資源進行有效整合，打破數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲與共享，讓數(shù)據(jù)在企業(yè)內部自由流通。同時，積極與外部科研機構、高校開展合作，建立數(shù)據(jù)共享機制，廣泛獲取更多維度的外部數(shù)據(jù)，豐富數(shù)據(jù)來源，為AI模型訓練提供充足的數(shù)據(jù)支持。

制定涵蓋材料成分標注、實驗條件記錄等方面的統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準和規(guī)范，確保不同來源的數(shù)據(jù)具有一致性和可比性，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)融合與模型訓練，提升數(shù)據(jù)的可用性和價值。

構建全面的數(shù)據(jù)質量評估體系，對數(shù)據(jù)的準確性、完整性、一致性等進行嚴格評估與監(jiān)控。加強數(shù)據(jù)清洗和預處理工作，去除數(shù)據(jù)中的噪聲和錯誤數(shù)據(jù)。同時，優(yōu)化實驗設計和操作流程，從源頭上減少誤差，保障數(shù)據(jù)質量。

充分利用數(shù)據(jù)挖掘技術，從海量的歷史數(shù)據(jù)中挖掘潛在的規(guī)律和知識，為新材料研發(fā)提供有價值的參考。通過數(shù)據(jù)分析預測新的市場需求和研發(fā)方向，為企業(yè)的戰(zhàn)略決策提供有力支撐，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值最大化。

02 | 在算法和模型層面，增強模型可解釋性，多尺度優(yōu)化建模，突破小樣本學習技術

研發(fā)將物理規(guī)律、化學原理等有效嵌入其中的AI模型，使模型的預測結果具有科學依據(jù)且可解釋。同時，加強對模型的驗證與評估，確保其可靠性和準確性，為研發(fā)決策提供可靠的支持。

開展多尺度建模技術研究，建立從微觀到宏觀的跨尺度模型，實現(xiàn)不同尺度數(shù)據(jù)的融合與分析。通過優(yōu)化模型的算法和計算方法，提高模型的計算效率和精度，降低誤差累積，提升模型在化工材料研發(fā)中的實用性和可靠性。

積極探索適合小樣本數(shù)據(jù)的學習方法，如遷移學習、元學習等，提高模型在小樣本數(shù)據(jù)下的泛化能力和預測性能。加強數(shù)據(jù)增強技術研究，通過數(shù)據(jù)增強方法擴充小樣本數(shù)據(jù)集，提升模型的訓練效果，有效解決小樣本數(shù)據(jù)帶來的挑戰(zhàn)。

03 | 在人才層面，建設高效的人才培養(yǎng)體系，跨學科融合培養(yǎng)，著力吸引和留住人才

建立跨學科的人才培養(yǎng)體系，加強化工材料專業(yè)與計算機科學、數(shù)學、統(tǒng)計學等專業(yè)的交叉融合，培養(yǎng)既懂化工材料又精通AI的復合型人才。鼓勵員工積極參與跨學科的學習和培訓，提升員工的綜合素質和跨學科能力，為企業(yè)的AI技術應用提供堅實的人才保障。

加強高校與企業(yè)的合作，建立實習基地和實踐平臺，為高校學生提供更多接觸實際項目的機會，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新意識。同時，加強企業(yè)內部人才培養(yǎng)，通過內部培訓、項目實踐等方式，提升員工的AI技術水平和應用能力。

制定具有競爭力的人才政策，提高化工材料行業(yè)對人才的吸引力。為人才提供良好的工作環(huán)境和廣闊的發(fā)展空間，給予他們具有挑戰(zhàn)性的項目任務，激發(fā)人才的創(chuàng)新活力。加強企業(yè)文化建設，增強人才的歸屬感和忠誠度，留住優(yōu)秀人才，打造一支穩(wěn)定、高素質的人才隊伍。

只有積極應對挑戰(zhàn)并采取切實有效的措施，加速AI技術在化工材料研發(fā)中的落地應用，提升企業(yè)的創(chuàng)新能力與核心競爭力，企業(yè)才能在激烈的市場競爭中脫穎而出，引領化工材料研發(fā)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

轉載自：化工好料到haoliaodao.com

來源：中國化工信息周刊