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軟件平臺(tái)截圖

3月9日，記者從華東理工大學(xué)了解到，由該校林嘉平教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的AI plus高分子軟件平臺(tái)，通過對高分子材料研發(fā)中的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并集成機(jī)器學(xué)習(xí)性能預(yù)測功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配方及工藝參數(shù)優(yōu)化等功能，加速高性能高分子材料的研發(fā)，推動(dòng)大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)為復(fù)合材料用高性能樹脂產(chǎn)業(yè)賦能。

瞄準(zhǔn)“卡脖子”難題

率先開展高分子材料基因工程研究

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。近年來，碳纖維在國家重點(diǎn)支持下已取得突破，然而匹配高性能碳纖維的基體樹脂發(fā)展緩慢，被嚴(yán)重“卡脖子”，成為制約先進(jìn)裝備發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸，亟需解決先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的高強(qiáng)度、耐高溫、輕質(zhì)化和功能化等難以兼具的難題。

事實(shí)上，華東理工大學(xué)在高分子材料尤其是特種樹脂研究方面具有深厚基礎(chǔ)和研究特色。例如，華理兼職教授杜磊自本世紀(jì)初就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)中青年科研人員，在耐高溫、耐燒蝕的高性能樹脂及其復(fù)合材料研究方面，取得了豐碩成果，獲國家科技發(fā)明二等獎(jiǎng)、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

但面對“卡脖子”難題，未來復(fù)合材料用樹脂的研究如何走出中國自己的發(fā)展之路？如何搞出高分子樹脂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，從分子結(jié)構(gòu)的源頭去設(shè)計(jì)滿足需求的新樹脂？這是林嘉平團(tuán)隊(duì)常常思考的問題。

“開展以大數(shù)據(jù)技術(shù)為驅(qū)動(dòng)、以AI為核心的高分子材料基因工程研究，可為解決這些難題提供有效手段，加速新材料的研發(fā)步伐。”林嘉平教授說。

林嘉平教授團(tuán)隊(duì)工作照（高性能聚合物性能測試）

據(jù)林嘉平教授介紹，2011年材料基因組工程被正式提出后，已經(jīng)成為目前材料研究前沿領(lǐng)域的重要方法論，新材料的研發(fā)也從科學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)“試錯(cuò)”時(shí)代跨入“智能制造”時(shí)代。挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)牽頭承擔(dān)了系列國家重大重點(diǎn)項(xiàng)目，在國家自然科學(xué)基金委、上海市科委的支持和資助下，聯(lián)合復(fù)合材料界著名高校和科研院所，在國內(nèi)率先開展了高分子材料基因工程研究，并取得了系列成果。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)截圖

配方優(yōu)化截圖

基因組合及篩選是材料基因工程的核心，團(tuán)隊(duì)目前已建立了針對耐高溫樹脂設(shè)計(jì)的高分子材料基因組新方法。從“基元-結(jié)構(gòu)-性能”構(gòu)效關(guān)系出發(fā)，根據(jù)性能要求，設(shè)計(jì)和選取不同結(jié)構(gòu)基元（基因），通過組合獲得海量候選結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行性能預(yù)測和高通量篩選，為設(shè)計(jì)先進(jìn)高分子材料提供了有效途徑。運(yùn)用該方法，團(tuán)隊(duì)研制了系列先進(jìn)復(fù)合材料基體樹脂。如固化溫度小于300 ℃、5%熱分解溫度大于650 ℃、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于600 ℃的新型耐高溫、易加工硅萘炔和硅芴炔樹脂；耐高溫、高韌性的新型聚硅炔酰亞胺樹脂，其加工性能、耐熱和界面性能優(yōu)于聚酰亞胺，力學(xué)性能與聚酰亞胺相當(dāng)。相關(guān)新型樹脂已由多家航空航天院所開展復(fù)合材料及構(gòu)件性能評價(jià)，解決了國家在高性能高分子材料領(lǐng)域的亟需。

AI和數(shù)字化技術(shù)同高分子材料

交叉領(lǐng)域的重要成果

AI plus高分子軟件平臺(tái)的誕生，是AI和數(shù)字化技術(shù)同高分子材料交叉領(lǐng)域的重要成果。而數(shù)據(jù)庫，則是材料基因工程的基石。目前團(tuán)隊(duì)已建成了國內(nèi)首個(gè)樹脂結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫和基團(tuán)間化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫，包含3萬多種聚合物的將近15萬條性能數(shù)據(jù)、58516種基元反應(yīng)模板的近140萬條化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)。

林嘉平教授團(tuán)隊(duì)工作照（指導(dǎo)搭建數(shù)據(jù)庫和軟件平臺(tái)）

值得一提的是，這些數(shù)據(jù)主要依靠過去三年尤其是疫情期間團(tuán)隊(duì)數(shù)十名研究生和本科生整理錄入，在培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)閱讀和科研素養(yǎng)的同時(shí)，以一條條規(guī)范存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)搭建起國內(nèi)首個(gè)高分子專用數(shù)據(jù)庫，是科研育人的新實(shí)踐。

基于數(shù)據(jù)庫，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了面向高分子十余種性能的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測模型，并構(gòu)建了高分子材料基因組研發(fā)平臺(tái)，具備數(shù)據(jù)檢索、性能預(yù)測、配方優(yōu)化等多個(gè)功能。

通過團(tuán)隊(duì)的現(xiàn)場演示，記者看到，用戶在使用AI plus高分子軟件平臺(tái)進(jìn)行高分子材料性能預(yù)測功能時(shí)，只需要通過點(diǎn)擊“繪制結(jié)構(gòu)”，分別將所繪制的環(huán)氧樹脂和固化劑轉(zhuǎn)化的字符串輸入到對應(yīng)的輸入框中，再通過點(diǎn)擊“開始預(yù)測”，短短幾秒，頁面就會(huì)返回后臺(tái)計(jì)算出來的環(huán)氧樹脂性能預(yù)測數(shù)據(jù)。這種虛擬設(shè)計(jì)、高通量預(yù)測的方法將大大提高其研發(fā)效率。據(jù)林嘉平教授介紹，AI plus高分子軟件平臺(tái)目前已在上海華誼集團(tuán)樹脂廠、上海航天八院、晉飛碳纖科技和金山石化院等企業(yè)試用，將擇機(jī)向社會(huì)公開使用。

“AI plus高分子軟件具有輸入樹脂結(jié)構(gòu)、快速獲得其力學(xué)、熱學(xué)和介電等性能的功能。同樣都是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的軟件，AI plus高分子較對話類的ChatGPT具有更高技術(shù)含量，體現(xiàn)出我國研究人員在AI交叉領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。”林嘉平教授說。

林嘉平教授團(tuán)隊(duì)工作照（團(tuán)隊(duì)老師合影）

面向新一代先進(jìn)復(fù)合材料基體樹脂中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題，華東理工大學(xué)將同相關(guān)團(tuán)隊(duì)和企業(yè)開展更加深入的合作，推進(jìn)AI plus高分子研究范式向產(chǎn)業(yè)全鏈條發(fā)展，努力抓住當(dāng)前數(shù)字化和人工智能對新材料產(chǎn)業(yè)的變革契機(jī)，以更快效率、更低成本研制出高性能高分子及其復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)高性能高分子尤其是“卡脖子”高分子材料的原始創(chuàng)新和智能制造。