效率提升99.6%！上海科學(xué)家團(tuán)隊借AI煉出千小時不衰陶瓷新材料

制陶如燒菜。從原材料到成品，要經(jīng)歷調(diào)配、球磨、壓片、燒結(jié)等數(shù)十道工藝，各種原料的配比、球磨的精度、燒結(jié)的溫度都影響著*后的成品性狀。過去，即便是研發(fā)陶瓷關(guān)鍵材料的“國家隊”出手，每革新一代，也需要約15年時間。

日前，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所副研究員冉念基于材料智能創(chuàng)制系統(tǒng)，僅用40次自動化實(shí)驗(yàn)，就找到了原本需要做1萬次嘗試才能獲得的*佳原料配比和工藝，實(shí)現(xiàn)99.6%的效率提升，且該材料穩(wěn)定性極強(qiáng)，測試1000多小時性能都不衰減。兩年前，硅酸鹽所開始布局陶瓷研制智能化，介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷、無機(jī)塑形陶瓷等課題組紛紛響應(yīng)，構(gòu)建自己的AI實(shí)驗(yàn)室，如今已初見成效。

“‘AI+制造’的窗口期就在這三五年。”上海硅酸鹽研究所研究員周志勇說。硅酸鹽所的優(yōu)勢，就是長期積累的超20萬條材料科學(xué)數(shù)據(jù)、1000萬篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、150萬個專利數(shù)據(jù)，借助大模型的“飛輪效應(yīng)”，占得AI時代的先機(jī)。

讓“鍋碗瓢盆”產(chǎn)出“超級數(shù)據(jù)”

“燒了20年‘菜’，現(xiàn)在做AI升級，真是不小的挑戰(zhàn)。”周志勇說。他口中的“菜”就是高溫壓電陶瓷，能在500℃以上環(huán)境中保持高穩(wěn)定性，因此，被廣泛用于航空發(fā)動機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

做這樣一片指甲蓋大小的壓電陶瓷，要經(jīng)歷20多個步驟，每一處工藝的改變都有可能影響*后的性能，但所有與之相關(guān)的論文中，80%以上是做配方研究的，與工藝相關(guān)的少之又少。

沒有可以拿來的數(shù)據(jù)，只能用“笨辦法”——自己搭建智能實(shí)驗(yàn)室。一開始，周志勇面對的是來自不同廠商、不同接口的儀器，即他口中的“鍋碗瓢盆”，他給每臺設(shè)備貼二維碼，做實(shí)驗(yàn)之前“掃一掃”，將數(shù)據(jù)輸進(jìn)去。“首先是要把數(shù)據(jù)撈出來。”他說。

周志勇團(tuán)隊一邊用“萬國牌”設(shè)備“撈”數(shù)據(jù)，一邊與某國產(chǎn)設(shè)備公司聯(lián)系，在經(jīng)過兩年多時間的反復(fù)探討和細(xì)節(jié)打磨后，統(tǒng)一接口的工藝和測試設(shè)備終于完成改造，將入駐新辟的2.0自動實(shí)驗(yàn)室。他透露，未來升級后的實(shí)驗(yàn)室里，所有操作可全部由機(jī)器人完成，每臺設(shè)備之間都可以通信，會自動記錄所有實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)自動采集、自動上傳，采集速度是現(xiàn)在的百倍。

智能體會“發(fā)號施令”也會“細(xì)心指導(dǎo)”

經(jīng)過兩年多自主研發(fā)，冉念所在的劉建軍研究員團(tuán)隊的AI實(shí)驗(yàn)室已運(yùn)行起來。這個70多平方米的整潔空間內(nèi)擺放著17臺自動化設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)功能陶瓷、能源材料等的制備與表征，一臺機(jī)器人與所有設(shè)備對接，只需終端智能體下達(dá)一個命令，機(jī)器人就能完成全部步驟。

AI實(shí)驗(yàn)室與以往自動化實(shí)驗(yàn)室的不同在于，作為實(shí)驗(yàn)室“管家”的智能體具有自主性。“比如，在上料工位，機(jī)器人掃描配料表后，配方比例和下料重量都是它自己判斷的，精度可達(dá)0.1毫克。”冉念說。

智能體的背后，“站”著硅酸鹽所的材料大模型MatMind，它基于研究所長期積累的超20萬條材料科學(xué)數(shù)據(jù)、1000萬篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、150萬個專利數(shù)據(jù)訓(xùn)練而來。“原本研發(fā)新材料如同大海撈針，即便試驗(yàn)成千上萬次也不一定能找到全局*優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)在每進(jìn)行一步后，智能體都會給出建議，再結(jié)合人的經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)效率大大提高。”冉念說。

除了“先人一步”找到全局*優(yōu)解外，AI還有望促進(jìn)理論創(chuàng)新。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員、陶瓷材料智能化研究部副主任劉建軍表示，跨尺度建模、多尺度結(jié)構(gòu)的構(gòu)效關(guān)系等是材料基礎(chǔ)理論的“百年難題”，誰能解開它，誰就能取得顛覆式突破。

抓住未來5年“AI+制造”關(guān)鍵升級期

“今年年底之前，我們一定要把2.0實(shí)驗(yàn)室裝備調(diào)試完畢，讓硬件設(shè)備先跑起來。”周志勇說。之所以分秒必爭，是因?yàn)樵谒�看來，這一輪留給制造業(yè)“AI+”升級的窗口期并不長。

當(dāng)前市場上已有成熟的機(jī)器人工作站，可實(shí)現(xiàn)粉末稱重、精準(zhǔn)加量、液體攪拌等一系列工作，為何硅酸鹽所還要自己打造AI實(shí)驗(yàn)室？答案在兩個字——固體。陶瓷由固體粉末燒制而成，而固體實(shí)驗(yàn)相較于液體實(shí)驗(yàn)的難度提升10倍不止。就拿混合均勻來說，液體只需震動攪拌即可，而研磨固體的球磨法，需要在固體中加入球磨珠，分離和掛料很難。不是真正從事這一研究的人，根本無法做出匹配固相實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。

陶瓷制備復(fù)雜的工藝對硅酸鹽所來說，既是機(jī)會也是挑戰(zhàn)。機(jī)會在于行業(yè)“家底”殷實(shí)的研究所具備在這一輪升級中入場競爭的資格，而挑戰(zhàn)在于AI的泛化性，你不知道它會否在哪一天產(chǎn)生顛覆行業(yè)的突破，因此，必須與時間賽跑，才有機(jī)會完成“奮力一躍”。

在硅酸鹽所，又一個為期5年的“AI+無機(jī)材料”科技發(fā)展規(guī)劃已啟動，計劃投入2億元，建設(shè)好材料智能創(chuàng)智系統(tǒng)，加速新材料研發(fā)進(jìn)程。

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