Новаторские разработки от группы российских и американских ученых вывели моделирование сложных молекул на новый уровень. Недавно исследовательская команда создала искусственный интеллект, способный значительно ускорить квантовые вычисления и тем самым открыть перед человечеством перспективы создания новых материалов с уникальными свойствами. Ключевую роль в этом проекте сыграл Александр Шапеев, представляющий Сколковский институт науки и технологий, а также поддержка Российского научного фонда.
Материалы будущего: мечта становится ближе
Инженеры и ученые во всем мире давно стремятся создавать идеальные вещества и сплавы под конкретные задачи и условия эксплуатации. Возможность подобрать нужный материал не только в лабораторных условиях, но и виртуально, с помощью высокоточных расчетов, существенно ускоряет научный прогресс. По словам Александра Шапеева, реализованное исследование можно считать серьезным шагом на пути к этому амбициозному будущему – когда поиск и расчет новых сплавов идет рука об руку с проектированием изделий.
Если раньше создание материалов с заранее определенными характеристиками требовало труда, времени и экспериментов, то сегодня, благодаря квантовой химии и современным алгоритмам, эту задачу возможно решать моделированием на уровне отдельных атомов. Такой подход значительно повышает точность предсказания свойств даже очень сложных соединений.
Преодоление ограничений квантовых расчетов
Для рассмотрения поведения молекул и материалов на фундаментальном уровне традиционно применяются квантовые методы, благодаря которым можно определить изменение длины и силы химических связей, расположение атомов, а также другие решающие для структуры параметры. Эти вычисления обеспечивают ученым надежные и точные данные. Однако расплата за такую точность – невероятная вычислительная нагрузка на компьютерные системы. Применять классические алгоритмы для анализа крупномасштабных молекул, биологических соединений или потенциальных лекарственных средств становится практически невозможно – требуется либо слишком много времени, либо слишком мощная техника, недоступная большинству лабораторий.
Долгое время альтернатив подобных точности методов попросту не существовало, поэтому ученые работали почти «вслепую», добиваясь нужных результатов путем многочисленных проб и ошибок.
Искусственный интеллект в квантовой химии
В последние годы мысль об использовании искусственного интеллекта или квантовых компьютеров для решения подобных задач стала одной из самых обсуждаемых и перспективных в научном сообществе. Команда Александра Шапеева подошла к этой идее творчески, увидев возможность устранить "узкие места" в расчетах при помощи современных алгоритмов машинного обучения. Новаторским оказалось то, что ИИ не подменяет собой традиционный подход, а эффективно отбирает только самые перспективные варианты структуры металла или молекулы, позволяя классическим алгоритмам быстрее найти точный результат.
Эксперименты показали, что такой комбинированный метод позволяет ускорить вычисления в десятки и сотни раз, не жертвуя при этом фундаментальной точностью расчетов. Теперь исследователь получает достоверный результат за минуты или часы, а не за недели или месяцы компьютертной работы.
Революция в разработке новых материалов
Для наглядной проверки эффективности своей разработки ученые из "Сколтеха" и их коллеги из США провели вычисление свойств сплавов из трех разных металлов. Они сравнили итоги, полученные с помощью нового ИИ-метода, с результатами классических вычислений на базе теории функционала плотности. Оказалось, что система с элементами машинного обучения показала практически идентичный результат при том, что вся процедура заняла в сто раз меньше времени.
Такой успех открывает перспективы создания "дизайнерских веществ" – материалов, специально подобранных под нужды конкретной техники, медицины, энергетики или строительства. Возможность быстро и точно моделировать сплавы и соединения на компьютере существенно стимулирует инновации и сокращает время пути от идеи до промышленного производства.
Значение исследования для науки и общества
Результаты работы команды Александра Шапеева и Сколковского института науки и технологий выходят далеко за пределы одной лаборатории или даже одной научной отрасли. Их достижения дают возможность ускорить исследования в химии, фармацевтике, материаловедении и биофизике, делая высокоточные расчетные методы доступными для широкого круга специалистов. Это открытие, поддержанное Российским научным фондом, неслучайно вызывает оптимизм среди экспертов: возможности искусственного интеллекта растут с каждым днем, и российская наука здесь идет в авангарде мировых тенденций.
Современные гибридные методы моделирования станут фундаментом для новых открытий, быстро и безопасно переводя лабораторные идеи в готовые технологии, меняющие повседневную жизнь людей и страны.
Оптимистичный взгляд на будущее
Команда исследователей уверена, что математически «умные» алгоритмы станут неотъемлемой частью развития высоких технологий в XXI веке. Уже сегодня ИИ помогает преодолевать барьеры, которые еще вчера считались непреодолимыми, приближая человечество к эре эффективного производства новейших материалов с заданными свойствами. Впереди – новые открытия, яркие проекты, и для их реализации у российской и мировой науки теперь есть еще более мощный инструмент.
Изображение: artemegorov/Фотобанк RU.123.RF
Источник: scientificrussia.ru
