發(fā)揮"數(shù)據(jù)要素X"，材料領(lǐng)域有了新樣板

2021年6月24日，美國(guó)佛羅里達(dá)州邁阿密海邊一棟1981年建造的12層公寓發(fā)生部分倒塌，造成重大人員傷亡。最終調(diào)查結(jié)果顯示，公寓倒塌可能緣于海水倒灌對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的水泥混凝土及內(nèi)部的加強(qiáng)鋼筋造成腐蝕破壞。

材料腐蝕是悄悄發(fā)生的破壞，這些年在國(guó)內(nèi)發(fā)生的一些重大事故，如山東青島爆燃特大事故、湖北十堰管道腐蝕爆炸、廣州虎門大橋不明原因晃動(dòng)等，也都與材料腐蝕有關(guān)。

研發(fā)具有更高性能、更長(zhǎng)壽命、更加綠色智能的新材料，是材料領(lǐng)域亟待解決的課題。北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心在浪潮信息提供的高效、智能算力支撐下，通過(guò)"大數(shù)據(jù)+人工智能"找出材料腐蝕的 "殺手"，加速研發(fā)出更符合需求的新材料，將新材料研發(fā)周期從原來(lái)的10-20年縮短到3-5年，實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新從"實(shí)驗(yàn)范式"向"數(shù)據(jù)范式"的躍升。

改變研發(fā)范式，提速新材料研發(fā)

新材料是一切現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是國(guó)家大力發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑到航空航天、醫(yī)療等各領(lǐng)域的現(xiàn)代化，都離不開材料的創(chuàng)新?？梢哉f(shuō)，一代材料決定了一代裝備。

腐蝕是材料領(lǐng)域亟待解決的一大難題，腐蝕對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，就相當(dāng)于人類的慢性疾病。材料腐蝕給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失，中國(guó)工程院全國(guó)腐蝕調(diào)查表明，我國(guó)腐蝕損失每年超過(guò)三萬(wàn)億元，占GDP的3.34%。

因此，"治未病"防患于未然十分關(guān)鍵。在工程建設(shè)前找到更耐腐蝕材料，一直是材料領(lǐng)域的核心課題。傳統(tǒng)的材料腐蝕研究，采用實(shí)驗(yàn)的方法，通過(guò)不斷試錯(cuò)來(lái)找到材料-環(huán)境-腐蝕的內(nèi)在規(guī)律，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。用北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心腐蝕大數(shù)據(jù)團(tuán)隊(duì)、國(guó)家材料腐蝕與防護(hù)科學(xué)數(shù)據(jù)中心張達(dá)威教授的話說(shuō)："傳統(tǒng)材料研發(fā)就如同做菜，食材調(diào)料各放多少，沒有定量配方，咸了兌點(diǎn)水，淡了加點(diǎn)鹽，需要反復(fù)嘗試。因?yàn)橛绊懖牧系囊蛩靥貏e多，靠經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法進(jìn)行材料研究，研發(fā)周期非常長(zhǎng)、成本特別高。"

將材料基因工程的理念方法引入新材料研發(fā)與防腐蝕領(lǐng)域，能夠提速材料的開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用的全過(guò)程，被公認(rèn)為開發(fā)新材料的前沿顛覆性方法。借鑒生物學(xué)基因工程，材料基因工程由材料高效計(jì)算、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等構(gòu)成其基礎(chǔ)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料成分、配方、制備工藝的高效篩選、精準(zhǔn)調(diào)控和優(yōu)化設(shè)計(jì)，快速得到滿足特定性能需求的新材料。

目前，世界各國(guó)都在積極推進(jìn)材料基因工程研究，致力于實(shí)現(xiàn)新材料研發(fā)周期縮短一半、研發(fā)成本降低一半的戰(zhàn)略目標(biāo)。我國(guó)科研工作者經(jīng)過(guò)多年努力，已經(jīng)在幾類關(guān)鍵材料上實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，將研發(fā)周期從10-20年縮短為3-5年，并在中馬友誼大橋、川藏鐵路等重大工程的材料篩選設(shè)計(jì)中，精準(zhǔn)、高效地完成了任務(wù)。

以中馬友誼大橋項(xiàng)目為例。馬爾代夫景色宜人，但是它所處的環(huán)境高溫、高濕、高鹽分、強(qiáng)紫外光輻射，對(duì)于材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常惡劣的環(huán)境。國(guó)家材料腐蝕與防護(hù)科學(xué)數(shù)據(jù)中心利用其積累的海量腐蝕數(shù)據(jù)以及針對(duì)數(shù)據(jù)的分析和挖掘，來(lái)評(píng)價(jià)中馬友誼大橋所處環(huán)境下的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，選擇了更適合的建設(shè)材料，保證大橋長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。

實(shí)現(xiàn)范式變革，數(shù)據(jù)"采-存-算"是關(guān)鍵

材料基因工程是材料與大數(shù)據(jù)、人工智能、高通量自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)等前沿技術(shù)的深度融合，通過(guò)"理性設(shè)計(jì)+高效實(shí)驗(yàn)+大數(shù)據(jù)分析"的協(xié)同創(chuàng)新顯著提升新材料的研發(fā)效率和應(yīng)用速度，實(shí)現(xiàn)材料研究從"實(shí)驗(yàn)范式"到 "數(shù)據(jù)范式"的躍升，這種協(xié)同創(chuàng)新背后的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力是 "數(shù)據(jù)"，關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)是"計(jì)算"。

以耐蝕材料研發(fā)為例，材料腐蝕過(guò)程機(jī)理十分復(fù)雜，溫度、濕度、應(yīng)力等環(huán)境因素，成分、加工、結(jié)構(gòu)等材料因素，時(shí)間尺度等因素，都是材料需要考慮的因素。因此，耐蝕材料的篩選和設(shè)計(jì)，需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐依據(jù)。

"這好比給材料看病，如果沒有相關(guān)檢驗(yàn)手段，只能 ‘望'‘聞'‘問'‘切'，有了心電圖等檢查手段，能看到已發(fā)病的心臟問題，但有了動(dòng)態(tài)心臟檢測(cè)儀（Holter）24小時(shí)檢測(cè)，就能通過(guò)心臟連續(xù)數(shù)據(jù)，分析出心臟有可能發(fā)生的問題，如果進(jìn)行基因分析，就能了解生命更深層的潛在問題。" 張達(dá)威表示，材料研究從"實(shí)驗(yàn)范式"向"數(shù)據(jù)范式"的變革，數(shù)據(jù)的"采"、"存"、"算"能力是關(guān)鍵。

一是要將有效數(shù)據(jù)"采上來(lái)"。國(guó)家材料腐蝕與防護(hù)科學(xué)數(shù)據(jù)中心通過(guò)新型腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開展材料（微觀）環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)的高通量采集與實(shí)時(shí)傳輸。目前，已布設(shè)了覆蓋我國(guó)典型自然環(huán)境的國(guó)家野外觀測(cè)站，成功應(yīng)用于電網(wǎng)、地下管網(wǎng)、高鐵、風(fēng)電等重大裝備的腐蝕失效監(jiān)測(cè)，每年收集到數(shù)以億計(jì)的腐蝕數(shù)據(jù)。

二是能將海量的數(shù)據(jù)"存得下"。中心開發(fā)了數(shù)據(jù)匯交和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等共性技術(shù)，有了這些技術(shù)能更好地理解數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，將數(shù)據(jù)變成知識(shí)，以更高價(jià)值的方式存儲(chǔ)下來(lái)。

三是強(qiáng)大算力把新材料"算出來(lái)"。數(shù)據(jù)的價(jià)值在于用，如何在海量的數(shù)據(jù)中找出規(guī)律、找到答案，需要高質(zhì)量算力的支撐。為此，北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心聯(lián)手浪潮信息構(gòu)建計(jì)算平臺(tái)，充分釋放數(shù)據(jù)價(jià)值。如利用人工智能技術(shù)，開發(fā)了一系列覆蓋原子、化學(xué)鍵、分子不同尺度，到材料、工藝、環(huán)境、時(shí)間不同維度的腐蝕預(yù)測(cè)模型，對(duì)耐蝕性能進(jìn)行仿真測(cè)試。在人工智能算力的推動(dòng)下，快速得到不同材料在不同環(huán)境作用下的耐蝕性能。

目前，北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心聯(lián)手浪潮信息打造的材料高通量計(jì)算平臺(tái)，已經(jīng)成為該中心創(chuàng)新變革的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。隨著數(shù)據(jù)和計(jì)算的進(jìn)一步融合，科研人員可以從繁瑣的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)中解脫出來(lái)，讓實(shí)驗(yàn)觀察變成無(wú)人實(shí)驗(yàn)，仿真模擬變成現(xiàn)象生成，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)變成數(shù)據(jù)增強(qiáng)，讓"算"出新材料成為可能。

應(yīng)該說(shuō)，以數(shù)據(jù)為核心，通過(guò)數(shù)智融合驅(qū)動(dòng)科研方式的變革，打造新質(zhì)生產(chǎn)力，不僅僅是對(duì)于材料領(lǐng)域，對(duì)于各個(gè)領(lǐng)域面臨的重大問題，都是有效的解題方法。在材料腐蝕和耐蝕材料的研究中，聯(lián)合通過(guò)數(shù)智融合探索，很好地詮釋了數(shù)據(jù)要素給材料科研變革帶來(lái)的乘法效應(yīng)。