专栏名称: COMSOL 多物理场仿真技术
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打破质疑!Comsol携手超材料领域,研究迎来重大进展!此次突破或将改写教科书!

COMSOL 多物理场仿真技术  · 公众号  ·  · 2024-10-08 08:50

正文

NO.1

超材料热点

以数据为载体的计算机革命为弹性波超材料设计带来了前所未有的创新方法。通过建立函数替代模型,基于人工神经网络架构的深度学习算法在超材料设计过程中展现出了显著的快速性与准确性,成功弥补了传统设计方法(如试错法、与数值分析结合的优化算法等)的不足。 由于超材料特征参数与其性质(如带隙、能带曲线、传递系数等)存在映射规律,无论这个规律有多复杂,深度学习模型都可以模拟。所以,一般而言,只要提供足够的数据,并构建合理 的深度学习模型,超材料的前向预测就能够实现。基于深度学习的超材料参数设计方法也已经取得了较大的发展,出现了如MLP、MLP+GA和TNN等优秀的模型,并且大量研究成果表明了这几类模型的高效性。此外,拓扑设计具有设计域广的优势,但是由于拓扑构型的高维性和离散性,超材料拓扑设计的难度大大增加。为此,学者们开发了基于CGAN、CVAE以及VAE-based等的深度学习模型,以降低拓扑设计难度,实现更广域的超材料设计。 深度学习在助力超材料逆向设计创新方面,展现出了显著的优势和潜力。具体体现为:快速精确的设计能力、强大的数据处理能力、设计灵活性和可扩展性、促进跨学科融合。深度学习模型可以根据特定的需求或标准快速生成新的设计。这种灵活性使得超材料设计能够满足不同领域和应用的特定需求。深度学习逆向设计不仅依赖于实验数据,还结合了弹性波理论、固体物理学等理论支持。这使得设计方案具有更强的科学性和理论深度。超材料在航空航天、生物医学、土木工程等领域具有广泛应用前景。深度学习逆向设计可以针对不同领域的需求,快速生成满足性能要求的超材料设计方案,推动了这些领域的技术进步和创新发展。

综上所述,基于深度学习的超材料研究已经取得了较大的进展,形成了较为完备的体系。深度学习在超材料逆向设计中具有快速精确的设计能力、高效的数据处理能力、强大的泛化能力、物理洞察的提供以及灵活性和可扩展性等优势。这些优势使得深度学习成为超材料逆向设计中不可或缺的工具和方法。

学习目标


深度学习超材料逆向设计目标:

1. 学习弹性波超材料的基本概念与计算方法

2. 学习深度学习算法以及基于Tensorflow框架的模型搭建

3. 学习深度学习在弹性波超材料领域的研究现状

4. 学习基于COMSOL with Matlab的弹性波超材料数据集批量自动生成方法 (分享课程涉及的所有数据集及代码)

5. 学习基于深度学习的弹性波超材料正向预测、参数设计与拓扑设计的原理以及实现方式 (分享课程涉及的所有代码)


机器学习材料目标: 1.掌握Python编程基础及其在科学计算中的应用:学会利用Python进行数据处理、模型构建与可视化,熟悉NumPy、Pandas等工具。

2.理解材料与化学中的机器学习方法:掌握线性回归、逻辑回归、决策树、支持向量机等常见算法的基本原理与应用。

3.应用机器学习解决材料科学问题:通过项目实践,深入理解数据采集、特征选择、模型训练与评估等步骤,学会使用sklearn等工具库完成任务。

4.了解材料数据的特征工程与数据库应用:学习如何表示分子结构与晶体结构,并了解常见材料数据库的使用方法。

5.提升实战能力并引导深入学习:通过多样化的项目实践案例,巩固课程内容,为后续深度学习等更复杂算法的学习打下基础。


深度学习材料目标: 1.理解深度学习与材料科学的结合点:掌握深度学习在材料特征工程和化学中的应用,了解当前研究的前沿方向。

2.熟练使用材料数据库与工具库:学习材料基因组的基本方法,并熟练掌握Material Project、Pymatgen、ASE等常见数据库及工具库的使用。

3.掌握常见深度学习算法的原理与应用:深入理解卷积神经网络、时序神经网络、生成模型及图神经网络的工作原理及其在材料研究中的具体应用。

4.培养实战能力:通过动手实践,包括深度学习框架Pytorch和Pytorch Lightning的使用、卷积神经网络在材料图像识别中的应用、基于Transformer的属性预测模型构建、生成对抗网络和变分自编码器在材料生成中的应用等,提升解决材料研究实际问题的能力。


机器学习分子动力学目标: 本次授课内容包括快速上手量化软件、入门和理解机器学习,熟练运用LAMMPS模拟软件,精通机器学习力场模型等,并附带大量相关代码与示例脚本。本次课不仅带来生态最完善的DeePMD系列软件的详解和使用,还将带来机器学习力场领域具有超高数据效率的等变模型(NequIP/MACE/Allegro),从而显著减轻高昂的数据生产成本。此外,还有机器学习力场领域的ChatGPT产品——开箱即用、免费开源的通用大模型(MACE-OFF23,MACE-MP0,DPA等)的使用与微调技巧。


深度学习超材料逆向设计专题

机器学习材料专题

深度学习材料专题

机器学习分子动力学专题


讲师介绍:

深度学习超材料逆向设计:主讲老师来自国家985重点高校,固体力学专业,在深度学习辅助的弹性波超材料逆向设计研究领域深耕多年,具有丰富的经验和扎实的基础。以第一作者或通讯作者在CMAME、IJMS、ES等行业顶级期刊发表论文8篇以及其它国际知名期刊7篇,共计15篇,参编英文书籍1部,参与过多项国家级项目,担任JSV、IJAM和EML等多个杂志的审稿人。


机器学习材料专题和深度学习材料专题主讲老师张老师来自国内“985工程”顶尖高校材料物理与化学专业,长期从事 材料科学、 机器学习,未来互联网与命名数据网络,量子力学等领域。在多个国际高水平期刊上发表 SCI检索论文15余篇。国家发明专利一项,他的授课方式深入浅出,能够将复杂的理论知识和计算方法讲解得清晰易懂,受到学员们的一致认可和高度评价!


机器学习分子动力学主讲老师来自国内高校陈老师授课,已发表SCI论文近20余篇,研究方向为基于机器学习的分子动力学模拟,包括 构建高效、高精度的AI分子力场模型,采用主动学习或大模型的知识蒸馏方法来获取高质量训练数据集, 开发基于C++的高性能的多GPU并行的LAMMPS的插件。熟知各种AI模型DeePMD, SchNet, DimeNet, SphereNet, DPA2和等变系列模型的Nequip, MACE, Allegro等,精通所有量子化学软件!

专题一:深度学习超材料逆向设计

第一天

弹性波超材料与深度学习的基本理论

1.1 弹性波超材料

1.1.1 弹性波超材料概念

1.1.2 超材料应用前景

1.1.3 计算方法

1.1.4 带隙机理

1.1.5 COMSOL商用有限元软件安装

1.1.6 案例1:基于传递矩阵法的一维周期超材能带曲线计算(包含实操)

1.1.7 案例2:基于有限元的二维周期超材料能带曲线计算(包含实操)

1.1.8 案例3:基于有限元的二维周期超材料频域与时域响应计算(包含实操)


2.1 深度学习

2.1.1 概念与原理

2.1.2 常见的深度学习模型(MLP, CNN, RNN)

2.1.3 Tensorflow深度学习框架安装与演练(包含实操)

2.1.4 数字图片数据集下载(包含实操)

2.1.5 数字识别深度学习模型搭建(包含实操)


第二天

数据集批量自动生成方法

2.1 COMSOL with Matlab介绍

2.2 如何获取用于弹性波超材料计算的基础Matlab代码(包含实操)

2.2.1 COMSOL有限元模型以Matlab代码表示

2.2.2 Matlab读取并修改COMSOL有限元模型

2.3 参数变量控制的数据批量自动生成方法与Matlab代码(包含实操)

2.3.1 参数变量特性与定义规则

2.3.2 Matlab更改COMSOL有限元模型中的几何和材料参数

2.4 拓扑变量控制的数据批量自动生成方法与Matlab代码(包含实操)

2.4.1 拓扑构型定义与范围选取

2.4.2 Matlab定义COMSOL有限元模型的 拓扑结构

2.5 数据整合方法与Python代码(包含实操)

第三天

正向预测

3.1 正向预测研究现状

3.2 正向预测深度学习模型及其原理

3.2.1 SVM

3.2.2 MLP

3.2.3 CNN

3.3 用于正向预测的数据集介绍

3.3.1 一维周期超材料的参数变量数据集

3.3.2 二维周期超材料的拓扑变量数据集

3.4 基于MLP的一维周期超材料带隙预测与代码讲解(包含实操)

3.4.1 基于Python和Tensorflow的MLP模型构建

3.4.2 训练与验证

3.4.3 基于R2的带隙预测精度测试评估

3.5 基于CNN的二维周期超材料能带曲线预测与代码讲解(包含实操)

3.5.1 基于Python和Tensorflow的CNN模型构建

3.5.2 训练、验证与测试

3.5.3 真实值与测试值对比图的批量生成


第四天

参数设计

4.1 参数设计研究现状

4.2 用于参数设计的深度学习模型及其原理

4.2.1 MLP

4.2.2 MLP+GA

4.2.3 强化学习

4.2.4 TNN

4.3 用于参数设计的数据集介绍

4.4 基于TNN的一维周期超材料参数设计与代码讲解(包含实操)

4.4.1 TNN模型的搭建方式

4.4.2 设计参数的批量保存与验证

4.5 参数设计结果的分析与讨论(包含实操)

4.5.1 设计精度的评估方式及其代码

4.5.2 设计的非唯一性

第五天

拓扑设计

5.1 研究现状

5.2 用于拓扑设计的深度学习模型及其原理

5.2.1 CGAN

5.2.2 CVAE

5.2.3 VAE-based模型

5.3 用于拓扑设计的数据集介绍

5.4 基于VAE-based模型的二维周期超材料拓扑设计与代码讲解(包含实操)

5.4.1 VAE-based模型的搭建方式

5.4.2 设计拓扑构型的批量保存和验证

5.5 拓扑设计分析方式(包含实操)

5.6 多目标 拓扑优化 (包含实操)

5.7 课程总结


专题二:机器学习材料


第一天 材料机器学习概述与python基础

【理论内容】

1. 机器学习概述

2. 材料与化学中的常见机器学习方法

3. 应用前沿

【实操内容】

1)Python基础

1)开发环境搭建

2)变量和数据类型

3)控制流

2)Python基础(续)

1)函数

2)类和对象

3)模块

3. Python科学数据处理

1)NumPy

2)Pandas

3)绘图可视化

4)文件系统

第二天:常见机器学习方法与实践1

【理论内容】

1. 线性回归

1)线性回归的原理

2)线性回归的应用

2. 逻辑回归

1)逻辑回归的原理

2)逻辑回归的应用

3. K近邻(KNN)

1)K近邻的原理

2)K近邻的应用

4. 感知机(浅层神经网络)

1)感知机的原理

2)使用感知机进行回归

3)使用感知机进行分类

【实操内容】

1. 线性回归的实现与初步应用

2. 逻辑回归的实现与初步应用

3. K近邻的实现与初步应用

4. 感知机的实现与初步应用

【项目实操内容】

1. 机器学习对CO2催化活性的预测|机器学习入门简单案例 【 文章

1)机器学习材料与化学应用的典型步骤

a)数据采集和清洗

b)特征选择和模型选择

c)模型训练和测试

d)模型性能评估和优化

2)sklearn库介绍

a)sklearn库的基本用法

b)sklearn库的算法API

c)sklearn库的模型性能评估

第三天 常见机器学习方法与实践2

【理论内容】

1. 决策树

1)决策树的原理

2)决策树的应用

2. 集成学习

1)集成学习的原理

2)集成学习的方法和应用

3. 朴素贝叶斯

1)朴素贝叶斯的原理

2)朴素贝叶斯的应用

4. 支持向量机

1)支持向量机的原理

2)支持向量机的应用

【实操内容】

1. 决策树的实现和应用

2. 随机森林的实现和应用

3. 朴素贝叶斯的实现和应用

4. 支持向量机的实现和应用

【项目实操内容】

1. 利用集成学习预测双金属ORR催化剂活性【 文章

1)Sklearn中的集成学习算法

2)双金属ORR催化活性预测实战

a)数据集准备

b)特征筛选

c)模型训练

d)模型参数优化

2. 使用支持向量机预测高熵合金相态【 文章

1)支持向量机的可视化演示

a)绘制决策边界

b)查看不同核函数的区别

2)支持向量机预测高熵合金相态(分类)

a)数据集准备

b)数据预处理

c)特征工程

d)模型训练及预测

3)支持向量机预测生物炭材料废水处理性能(回归)

a)数据集准备

b)数据预处理

c)模型训练及预测

第四天 常见机器学习方法与实践3

【理论内容】

1. 无监督学习

1)什么是无监督学习

2)无监督学习算法-聚类

3)无监督学习算法-降维

2. 材料与化学数据的特征工程

1)分子结构表示

2)晶体结构表示

3. 数据库

1)材料数据库介绍

2)Pymatgen介绍

【实操内容】

1. 无监督学习算法的实现与应用

2. 分子结构的表示

3. 晶体结构的表示

4. 数据库实操

【项目实操内容】

1. 无监督学习在材料表征中应用【 文章

1)K-Means聚类算法

2)石墨烯样品数据集准备

3)二维电镜图像处理

4)聚类及统计

2. 利用机器学习预测高能材料分子性质【 文章

1)高能分子数据集准备

2)从SMILES生成分子坐标

3)从分子坐标计算库伦矩阵

4)测试不同分子指纹方法

5)比较不同特征化 方法

6)模型性能评估

第五天 项目实践专题

【项目实操内容】

1.利用机器学习加速发现耐高温氧化的合金材料【 文章

1)合金材料数据集准备

2)数据预处理

3)特征构建和特征分析

4)多种模型训练

5)使用训练好的模型进行推理







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