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軟件平臺截圖

3月9日，記者從華東理工大學了解到，由該校林嘉平教授團隊開發(fā)的AI plus高分子軟件平臺，通過對高分子材料研發(fā)中的結(jié)構(gòu)性能進行數(shù)據(jù)挖掘，并集成機器學習性能預測功能、結(jié)構(gòu)設計、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)，推動大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)為復合材料用高性能樹脂產(chǎn)業(yè)賦能。

瞄準“卡脖子”難題

率先開展高分子材料基因工程研究

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

事實上，華東理工大學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初就帶領(lǐng)團隊中青年科研人員，在耐高溫、耐燒蝕的高性能樹脂及其復合材料研究方面，取得了豐碩成果，獲國家科技發(fā)明二等獎、國家科技進步二等獎。

但面對“卡脖子”難題，未來復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)設計方法，從分子結(jié)構(gòu)的源頭去設計滿足需求的新樹脂？這是林嘉平團隊常常思考的問題。

“開展以大數(shù)據(jù)技術(shù)為驅(qū)動、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?！绷旨纹浇淌谡f。

林嘉平教授團隊工作照（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)也從科學家的經(jīng)驗“試錯”時代跨入“智能制造”時代。挑戰(zhàn)與機遇并存，他帶領(lǐng)團隊牽頭承擔了系列國家重大重點項目，在國家自然科學基金委、上海市科委的支持和資助下，聯(lián)合復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)設計截圖

配方優(yōu)化截圖

基因組合及篩選是材料基因工程的核心，團隊目前已建立了針對耐高溫樹脂設計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，設計和選取不同結(jié)構(gòu)基元（基因），通過組合獲得海量候選結(jié)構(gòu)，然后進行性能預測和高通量篩選，為設計先進高分子材料提供了有效途徑。運用該方法，團隊研制了系列先進復合材料基體樹脂。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，力學性能與聚酰亞胺相當。相關(guān)新型樹脂已由多家航空航天院所開展復合材料及構(gòu)件性能評價，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。目前團隊已建成了國內(nèi)首個樹脂結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫和基團間化學反應數(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種基元反應模板的近140萬條化學反應數(shù)據(jù)。

林嘉平教授團隊工作照（指導搭建數(shù)據(jù)庫和軟件平臺）

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隊數(shù)十名研究生和本科生整理錄入，在培養(yǎng)學生文獻閱讀和科研素養(yǎng)的同時，以一條條規(guī)范存儲的數(shù)據(jù)搭建起國內(nèi)首個高分子專用數(shù)據(jù)庫，是科研育人的新實踐。

基于數(shù)據(jù)庫，團隊創(chuàng)建了面向高分子十余種性能的機器學習預測模型，并構(gòu)建了高分子材料基因組研發(fā)平臺，具備數(shù)據(jù)檢索、性能預測、配方優(yōu)化等多個功能。

通過團隊的現(xiàn)場演示，記者看到，用戶在使用AI plus高分子軟件平臺進行高分子材料性能預測功能時，只需要通過點擊“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的輸入框中，再通過點擊“開始預測”，短短幾秒，頁面就會返回后臺計算出來的環(huán)氧樹脂性能預測數(shù)據(jù)。這種虛擬設計、高通量預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高分子軟件平臺目前已在上海華誼集團樹脂廠、上海航天八院、晉飛碳纖科技和金山石化院等企業(yè)試用，將擇機向社會公開使用。

“AI plus高分子軟件具有輸入樹脂結(jié)構(gòu)、快速獲得其力學、熱學和介電等性能的功能。同樣都是基于機器學習的軟件，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?！绷旨纹浇淌谡f。

林嘉平教授團隊工作照（團隊老師合影）

面向新一代先進復合材料基體樹脂中的結(jié)構(gòu)設計難題，華東理工大學將同相關(guān)團隊和企業(yè)開展更加深入的合作，推進AI plus高分子研究范式向產(chǎn)業(yè)全鏈條發(fā)展，努力抓住當前數(shù)字化和人工智能對新材料產(chǎn)業(yè)的變革契機，以更快效率、更低成本研制出高性能高分子及其復合材料，實現(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。