通過(guò)很少的培訓(xùn) 機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以發(fā)現(xiàn)隱藏的科學(xué)知識(shí)

當(dāng)然，計(jì)算機(jī)可以用來(lái)玩大師級(jí)國(guó)際象棋(國(guó)際象棋計(jì)算機(jī))，但他們可以做出科學(xué)發(fā)現(xiàn)嗎?能源部勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的研究人員表明，沒(méi)有材料科學(xué)培訓(xùn)的算法可以掃描數(shù)百萬(wàn)篇論文的文本并發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)知識(shí)。

由伯克利實(shí)驗(yàn)室能源存儲(chǔ)和分布式資源部門(mén)的科學(xué)家Anubhav Jain領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)收集了330萬(wàn)份已發(fā)表的材料科學(xué)論文摘要，并將其輸入一個(gè)名為Word2vec 的算法中。通過(guò)分析單詞之間的關(guān)系，該算法能夠提前幾年預(yù)測(cè)新熱電材料的發(fā)現(xiàn)，并建議尚未知的材料作為熱電材料的候選材料。

“沒(méi)有告訴任何有關(guān)材料科學(xué)的知識(shí)，它就學(xué)會(huì)了周期表和金屬晶體結(jié)構(gòu)等概念，”Jain說(shuō)。“這暗示了該技術(shù)的潛力。但可能是我們發(fā)現(xiàn)的最有趣的事情，你可以使用這種算法來(lái)解決材料研究中的差距，這是人們應(yīng)該研究但到目前為止還沒(méi)有研究過(guò)的東西。”

該研究結(jié)果發(fā)表在7月3日的“ 自然 ”雜志上。該研究的主要作者，“無(wú)監(jiān)督的詞匯嵌入材料科學(xué)文獻(xiàn)中捕獲潛在知識(shí)”，現(xiàn)為伯克利實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Vahe Tshitoyan，現(xiàn)在在谷歌工作。與Jain一起，伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Kristin Persson和Gerbrand Ceder幫助領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

“該文件確定科學(xué)文獻(xiàn)的文本挖掘可以發(fā)現(xiàn)隱藏的知識(shí)，純文本提取可以建立基本的科學(xué)知識(shí)，”Ceder說(shuō)，他還在加州大學(xué)伯克利分校的材料科學(xué)與工程系任命。

Tshitoyan表示，該項(xiàng)目的動(dòng)機(jī)是難以理解大量已發(fā)表的研究。“在每個(gè)研究領(lǐng)域都有100年的研究文獻(xiàn)，每周都有數(shù)十項(xiàng)研究出現(xiàn)，”他說(shuō)。“研究人員只能訪問(wèn)其中的一小部分。我們認(rèn)為，機(jī)器學(xué)習(xí)能否以無(wú)人監(jiān)督的方式利用所有這些集體知識(shí)，而無(wú)需人類(lèi)研究人員的指導(dǎo)?”

該團(tuán)隊(duì)從1922年至2018年間在1000多種期刊上發(fā)表的論文中收集了330萬(wàn)篇摘要.Word2vec在這些摘要中采用了大約500,000個(gè)不同的單詞，并將每個(gè)單詞轉(zhuǎn)換為200維向量，或200個(gè)數(shù)字的數(shù)組。

“重要的不是每個(gè)數(shù)字，而是用數(shù)字來(lái)看看單詞是如何相互關(guān)聯(lián)的，”Jain說(shuō)道，他領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)小組，致力于發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)能源應(yīng)用的新材料，使用理論，計(jì)算和數(shù)據(jù)挖掘。“例如，您可以使用標(biāo)準(zhǔn)向量數(shù)學(xué)來(lái)減去向量。其他研究人員已經(jīng)證明，如果您在非科學(xué)文本源上訓(xùn)練算法并采用”王減去女王“的結(jié)果，那么您得到的結(jié)果與”男人減去女人“相同。 “ 它沒(méi)有你告訴任何事情就找出了關(guān)系。“

類(lèi)似地，當(dāng)在材料科學(xué)文本上進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，該算法能夠簡(jiǎn)單地基于摘要中的單詞的位置以及它們與其他單詞的共現(xiàn)來(lái)學(xué)習(xí)科學(xué)術(shù)語(yǔ)和概念的含義，例如金屬的晶體結(jié)構(gòu)。例如，正如它可以解決方程“王者 - 女王+人”，它可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于“鐵磁性NiFe + IrMn”等式，答案將是“反鐵磁性”。

門(mén)捷列夫的周期表位于右側(cè)。Word2vec的元素表示，投影到兩個(gè)維度，位于左側(cè)。圖片來(lái)源：伯克利實(shí)驗(yàn)室

當(dāng)每個(gè)化學(xué)元素的向量投影到兩個(gè)維度時(shí)，Word2vec甚至能夠?qū)W習(xí)元素周期表中元素之間的關(guān)系。

提前幾年預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)

因此，如果Word2vec如此智能，它能預(yù)測(cè)新型熱電材料嗎?良好的熱電材料可以有效地將熱量轉(zhuǎn)換為電能，并且由安全，豐富且易于生產(chǎn)的材料制成。

伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)采用了算法建議的頂級(jí)熱電候選者，該算法根據(jù)單詞矢量與“熱電”一詞的相似性對(duì)每個(gè)化合物進(jìn)行排序。然后他們運(yùn)行計(jì)算來(lái)驗(yàn)證算法的預(yù)測(cè)。

在前10個(gè)預(yù)測(cè)中，他們發(fā)現(xiàn)所有計(jì)算的功率因數(shù)略高于已知熱電的平均值; 前三位候選者的功率因數(shù)高于已知熱電材料的第95百分位數(shù)。

接下來(lái)，他們測(cè)試了算法是否可以“過(guò)去”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只給出2000年的摘要。同樣，在最高預(yù)測(cè)中，后來(lái)的研究中出現(xiàn)了大量的數(shù)據(jù) - 比材料多四倍剛剛被隨機(jī)選中。例如，使用截至2008年的數(shù)據(jù)訓(xùn)練的前五個(gè)預(yù)測(cè)中的三個(gè)已被發(fā)現(xiàn)，其余兩個(gè)包含稀有或有毒元素。

結(jié)果令人驚訝。“老實(shí)說(shuō)，我沒(méi)想到算法能夠如此預(yù)測(cè)未來(lái)的結(jié)果，”Jain說(shuō)。“我曾經(jīng)想過(guò)，也許這個(gè)算法可以描述人們之前做過(guò)的事情，但卻沒(méi)有提出這些不同的聯(lián)系。當(dāng)我不僅看到預(yù)測(cè)而且還看到預(yù)測(cè)背后的推理時(shí)，我感到非常驚訝，例如半赫斯勒結(jié)構(gòu)，這是一種非常熱的電熱晶體結(jié)構(gòu)。“

他補(bǔ)充說(shuō)：“這項(xiàng)研究表明，如果這個(gè)算法早些時(shí)候到位，可以想象一些材料可以提前幾年被發(fā)現(xiàn)。” 隨著研究，研究人員正在發(fā)布該算法預(yù)測(cè)的前50種熱電材料。如果他們想要搜索更好的拓?fù)浣^緣體材料，他們還將發(fā)布人們制作自己應(yīng)用所需的嵌入詞。

接下來(lái)，Jain表示，該團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一個(gè)更智能，更強(qiáng)大的搜索引擎，允許研究人員以更有用的方式搜索摘要。

該研究由豐田研究所資助。其他研究合著者是伯克利實(shí)驗(yàn)室研究人員John Dagdelen，Leigh Weston，Alexander Dunn和Ziqin Rong，以及加州大學(xué)伯克利分校研究員Olga Kononova。