借助強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，科學(xué)家們提高了新物質(zhì)探索開(kāi)發(fā)的效率

化學(xué)科學(xué)正在向前發(fā)展，而化學(xué)反應(yīng)也越來(lái)越復(fù)雜。但在強(qiáng)大技術(shù)的加持下，現(xiàn)代化學(xué)研究正在突破我們對(duì)于化學(xué)的傳統(tǒng)印象?？蒲腥藛T不用呆坐在實(shí)驗(yàn)室里擺弄瓶瓶罐罐，非要把花花綠綠的試劑混合在一起才能知道它們會(huì)發(fā)生什么化學(xué)反應(yīng)、生成了什么物質(zhì)。借助強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，科學(xué)家們不費(fèi)一瓶一罐也能預(yù)測(cè)出化學(xué)產(chǎn)物，極大地提高了新物質(zhì)探索開(kāi)發(fā)的效率。

加州理工學(xué)院的研究人員們就利用機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)出了這樣一套能夠稱(chēng)為化學(xué)家左膀右臂的工具，在你還沒(méi)來(lái)得及把化學(xué)試劑放進(jìn)試管里之前，就能夠預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)。

研究人員利用Hartree-Fock作為輸入來(lái)預(yù)測(cè)電子結(jié)構(gòu)的相關(guān)能量。整體的相關(guān)能量通過(guò)來(lái)自占據(jù)分子軌道獨(dú)立和成對(duì)的貢獻(xiàn)來(lái)進(jìn)行表達(dá)，基于分子軌道特性，研究人員利用高斯過(guò)程回歸來(lái)預(yù)測(cè)不同軌道特征的貢獻(xiàn)。通過(guò)最大化化學(xué)系統(tǒng)間的遷移能力和特征集的緊湊性，研究人員成功規(guī)避了通常使用的原子或幾何特征信息。這種方法避免的傳統(tǒng)計(jì)算方法的缺點(diǎn)，在保證精度的情況下提升了效率。它甚至可以預(yù)測(cè)訓(xùn)練集中沒(méi)有包含的元素或原子構(gòu)成的分子。

盡管這個(gè)工具并不是這個(gè)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者，但是這個(gè)算法在已有的工具基礎(chǔ)上進(jìn)行了很多改進(jìn)，能夠通過(guò)輸入的化學(xué)物質(zhì)來(lái)預(yù)測(cè)出反應(yīng)的過(guò)程和生成物的屬性，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

研究人員表示“這些預(yù)測(cè)能將潛在的微觀(guān)屬性與我們?cè)诤暧^(guān)世界中關(guān)心的事情聯(lián)系起來(lái)，能讓我們提前知道一種催化劑的性能是否會(huì)比另一種更好，并確定新的候選藥物。"

Caltech研究人員的工作實(shí)質(zhì)上改變了預(yù)測(cè)軟件的關(guān)注焦點(diǎn)。以前的工具基于三種計(jì)算建模方法，即密度泛函理論(density functional theory,DFT )、耦合簇理論(coupledcluster theory ,CC )或默勒-普萊塞特?cái)_動(dòng)理論(M?ller–Plesset perturbation theory , MP2 )。這些理論代表了三種不同近似來(lái)解薛定諤方程的方法，而薛定諤方程描述了一種量子力學(xué)起著重要作用的復(fù)雜系統(tǒng)。

這些理論各有優(yōu)劣。DFT是一種快餐式的方法，它能讓研究人員更快地得出答案，但準(zhǔn)確度較低。CC和MP2更精確，但是計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間更長(zhǎng)，且消耗更多的算力。

但這種方法好似穿針引線(xiàn)利用機(jī)器學(xué)習(xí)將幾種方法的優(yōu)勢(shì)結(jié)合了起來(lái)，它能夠比DFT更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，但耗時(shí)卻比CC和MP2少。這種方法將機(jī)器學(xué)習(xí)算法集中在分子軌道，即分子周?chē)碾娮釉粕蟻?lái)實(shí)現(xiàn)上述效果。相比之下，現(xiàn)有的工具則聚焦于分子中原子的類(lèi)型或原子鍵合的角度。

目前為止，這種方法展示出了巨大的前景，雖然它現(xiàn)在還只被用來(lái)預(yù)測(cè)相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，但從目前的結(jié)果來(lái)看，它具有處理復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題的良好前景。如果這一方法在復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題上取得成功，它將稱(chēng)為計(jì)算化學(xué)研究史上的里程碑事件，將極大地促進(jìn)化學(xué)特別是計(jì)算化學(xué)、理論化學(xué)的發(fā)展。

這項(xiàng)工作發(fā)表在《化學(xué)理論與計(jì)算雜志》上，題為“機(jī)器學(xué)習(xí)的遷移應(yīng)用——通過(guò)分子軌道預(yù)測(cè)電子結(jié)構(gòu)”。