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  高分子材料作為現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)性材料，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多功能需求以及可持續(xù)發(fā)展的迫切要求，在精確設(shè)計(jì)和性能提升方面面臨著長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。深化加工工藝、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及性能間的物理化學(xué)認(rèn)識(shí)，對(duì)推動(dòng)高分子材料的精確設(shè)計(jì)和與高性能化發(fā)展具有重要意義。機(jī)器學(xué)習(xí)因其優(yōu)異的高維數(shù)據(jù)處理能力，在高效構(gòu)建上述復(fù)雜關(guān)系，揭示深層次物理化學(xué)規(guī)律，以及促進(jìn)新型高分子材料結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

圖1. 機(jī)器學(xué)習(xí)在高分子科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用概述。

  近期，四川大學(xué)馮玉軍教授團(tuán)隊(duì)與成都信息工程大學(xué)張永清教授團(tuán)隊(duì)在Progress in Materials Science上發(fā)表了題為“Machine learning in polymer science: A new lens for physical and chemical exploration”的綜述文章。該文系統(tǒng)回顧了機(jī)器學(xué)習(xí)在高分子合成、加工及性能（包括光、電、熱、吸附、分離和機(jī)械性能）領(lǐng)域的研究工作，詳細(xì)介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)在探索加工工藝條件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與性能定量關(guān)系，探索高分子科學(xué)物理化學(xué)理論，以及助力新型結(jié)構(gòu)高分子材料設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)方面的應(yīng)用。文章第一作者是四川大學(xué)博士生曹小琴，成都信息工程大學(xué)張永清教授為共同第一作者，四川大學(xué)殷鴻堯副研究員和馮玉軍教授為通訊作者。該研究得到四川省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目的支持。

  該文章首先介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)在高分子合成方面的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)定制化結(jié)構(gòu)聚合物制備以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)的閉環(huán)自優(yōu)化聚合反應(yīng)平臺(tái)研究進(jìn)展（圖2）。通過建立聚合反應(yīng)條件與實(shí)驗(yàn)結(jié)果模型，實(shí)現(xiàn)高維結(jié)構(gòu)空間和實(shí)驗(yàn)參數(shù)空間的相互映射，針對(duì)目標(biāo)聚合物生成特定的實(shí)驗(yàn)方案，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)且高效合成。

圖2. 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的閉環(huán)自優(yōu)化聚合反應(yīng)平臺(tái)示意圖。

  其次，作者介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)在聚合物溶解性研究中的應(yīng)用，概述了其在預(yù)測(cè)聚合物和溶劑相互作用參數(shù)、預(yù)測(cè)臨界溶解溫度、構(gòu)建溶解相圖方面的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，闡述了機(jī)器學(xué)習(xí)模型在揭示聚合物–溶劑相互作用機(jī)制、識(shí)別與溶解性能相關(guān)的結(jié)構(gòu)片段和功能基團(tuán)、以及探索控制溶解性能的物理化學(xué)規(guī)律方面的能力（圖3）。

圖3. (a)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型用于預(yù)測(cè)特定聚合物–溶劑體系的溶解相圖。(b)輸入?yún)?shù)對(duì)模型預(yù)測(cè)誤差的影響。

  文章隨后回顧了機(jī)器學(xué)習(xí)在輔助高分子材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用，闡述了其在預(yù)測(cè)和優(yōu)化材料性能，特別是在提升多目標(biāo)性質(zhì)與性能的帕累托前沿方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，還介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)在構(gòu)建加工工藝條件與材料性質(zhì)、性能的定量關(guān)系，揭示工藝對(duì)性質(zhì)與性能的影響規(guī)律，深化加工理論基礎(chǔ)方面的優(yōu)越性。例如，通過建立環(huán)氧樹脂和固化劑結(jié)構(gòu)與材料玻璃化溫度、強(qiáng)度和恢復(fù)性能之間的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，解析環(huán)氧樹脂和固化劑含量對(duì)各力學(xué)性能的影響規(guī)律，確定最佳工藝參數(shù)組合空間，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)性能優(yōu)化（圖4）。

圖4. (a) 環(huán)氧樹脂和固化劑與材料力學(xué)能的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。(b)工藝參數(shù)與材料性質(zhì)性能的影響。

  文章還系統(tǒng)總結(jié)了機(jī)器學(xué)習(xí)在高分子性質(zhì)與性能方面的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了機(jī)器學(xué)習(xí)用于探究聚合物結(jié)構(gòu)與光、電、熱性質(zhì)、吸附性能、分離性能和力學(xué)性能的構(gòu)–效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)影響材料性質(zhì)性能的主要結(jié)構(gòu)片段、基團(tuán)或原子，并以此設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)高性能、新功能的聚合物結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展現(xiàn)有高分子材料結(jié)構(gòu)空間和認(rèn)知邊界。例如，通過建立單體結(jié)構(gòu)與吸濕性，臨界低熱膨脹率和拉伸模量之間的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，從候選的結(jié)構(gòu)空間中快速篩選出滿足目標(biāo)性質(zhì)性能要求的結(jié)構(gòu)，并通過統(tǒng)計(jì)分析識(shí)別出對(duì)上述性能具有關(guān)鍵貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)片段（圖5）。最后，文章指出了機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于高分子科學(xué)所面臨的主要挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)集規(guī)模有限、高分子結(jié)構(gòu)數(shù)字化困難，并展望了該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

圖5. (a)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)用于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)性質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的示意圖。(b)結(jié)構(gòu)片段對(duì)材料吸濕性，臨界低熱膨脹率和拉伸模量貢獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101544