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学生受け入れ中
研究内容
- Keywords
マテリアルズ・インフォマティクス,機械学習,AI
出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。
所属学会
日本物理学会, 応用物理学会
マテリアル基盤研究センター
材料探索アルゴリズムと自律実験システムの開発
マテリアルズ・インフォマティクス手法,材料探索用人工知能,ブラックボックス最適化,自動・自律実験
概要
物質・材料科学では多くのデータが日々生み出されており,これをデータ駆動型手法で解析することで,所望の特性を有する材料の提案や材料設計指針の構築が可能になります.ただし,既存手法をそのまま適用するだけでは十分ではなく,研究ニーズに応じた適切なアルゴリズムを考案・適用することが,新材料探索・開発の加速には不可欠です.こうした考えのもと,材料探索用人工知能(AI)として利用できるブラックボックス最適化手法をはじめ,材料研究に特化したデータ駆動型アルゴリズムを数多く開発し,OSSとして公開してきました.また,自律材料探索を実施するためのNIMO(https://www.nims.go.jp/nimo/)を開発し,様々なAIアルゴリズムを利用可能な形で提供しています.さらに,NIMOをロボット実験装置と接続することで,人の介入を必要としない自動・自律実験システムの構築にも力を入れています.
新規性・独創性
● 自律材料探索用ソフトウェアNIMOの開発
● ベイズ最適化PythonパッケージPHYSBOの開発
● 相図・状態図作成効率化手法PDCの開発とWebアプリケーションAIPHADの公開
● 量子アニーリング・イジングマシンを利用した材料探索手法の開発
● LLMを活用した材料探索・実験計画手法(LLMEP,aLLoyM等)の開発
内容

自律材料探索では,少ないデータ数からスタートし,機械学習やAI技術による特性予測と,予測に基づく実験を交互に繰り返すことで,徐々にデータを増やしながら材料特性の最適化を行います.この研究手法をブラックボックス最適化と呼びます.これは材料探索を行う際に,次に実験すべき材料を提案するための材料探索用人工知能(AI)として利用できます.ブラックボックス最適化手法のうち,材料分野で最も利用されているベイズ最適化を,簡単に実行できるPythonパッケージPHYSBOを開発し,OSSとして公開しています.また,材料候補が膨大な場合,ベイズ最適化では長時間計算が必要となってしまう問題がありました.これを解決するために,量子アニーリング・イジングマシンを利用したブラックボックス最適化手法FMQAも開発してきました.さらに,材料研究では,材料特性の向上だけでなく詳細な相図・状態図を描きたいという研究ニーズがあります.このニーズに対応するために,相図・状態図作成用のブラックボックス最適化手法PDC(Phase Diagram Construction)を開発し,これを簡単に実行できるWebアプリケーションAIPHADも公開しています.これらの材料探索用AIとロボット実験をつなげることで,人の介入を必要としない自律自動材料探索が実現できます.そこで,そのようなシステムを実現するためのミドルウェアとして,NIMO(https://www.nims.go.jp/nimo/)を開発し,公開しています.NIMOでは,ロボット実験,材料探索用AIをそれぞれモジュールとして扱うことで,様々な組み合わせで自律自動材料探索を実施できます.現在,NIMSだけでなく,国内外の研究機関でもNIMOが活用されており,世界中の自律実験システムを繋ぐ基盤技術として展開が進んでいます.
まとめ
これまで,開発してきたデータ駆動型手法を用いて,合金材料,磁性材料,有機分子材料,ポリマー材料,メタマテリアル,Liイオン電池材料,太陽電池材料,電解質材料など,幅広い材料を対象とした応用研究を展開してきました.さらに,嗅覚センサーの開発やリートベルト解析の自動化など,材料探索にとどまらない応用にも取り組んでいます.また,NIMOを中核とした自律自動材料探索システムの構築にも力を入れており,国内外の研究機関と連携しながら,人の介入を必要としない材料開発基盤の実現を目指しています.これらの取り組みはいずれも,AI for Materials Science,すなわちAIを材料科学の研究プロセスそのものに組み込むという考え方に基づいており,データ駆動型手法の開発とその実装を通じて,今後も革新的な材料開発に貢献していきたいと考えています.

