人工智能（AI）正在對(duì)科學(xué)的幾乎每一個(gè)分支進(jìn)行變革。美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正走在這一變革的前沿。

"如今媒體對(duì)AI有很多炒作。"阿貢先進(jìn)光子源（APS）的計(jì)算科學(xué)家和組長(zhǎng)Mathew Cherukara說(shuō)。APS是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。"但毫無(wú)疑問(wèn)，AI可以幫助APS和其他光源的研究人員在對(duì)美國(guó)工業(yè)至關(guān)重要的先進(jìn)化學(xué)工藝方面取得突破。"

作為佐證，阿貢團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種AI引導(dǎo)的方法，能夠大幅加速一種廣泛使用的X射線技術(shù)——X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）光譜分析。這種方法同時(shí)大大降低了人為錯(cuò)誤或X射線束對(duì)樣品造成損害的風(fēng)險(xiǎn)。

這種強(qiáng)大的分析工具能夠揭示對(duì)現(xiàn)代生活至關(guān)重要的材料內(nèi)部的隱藏化學(xué)特性，如電池、催化劑以及電能夠無(wú)阻力流動(dòng)的材料。團(tuán)隊(duì)的AI方法將此前所需的測(cè)量次數(shù)減少了多達(dá)80%，而且沒(méi)有損失精度。大幅縮短了數(shù)據(jù)采集時(shí)間，使研究人員能夠?qū)崟r(shí)捕捉快速的化學(xué)變化。

XANES是這樣工作的：科學(xué)家將能量遞增的X射線束照射到材料上。每一束X射線都是一個(gè)微小的能量包。當(dāng)能量高到足以將緊密結(jié)合的電子從原子中擊出時(shí)，材料會(huì)突然吸收更多的X射線。這種吸收的急劇躍升被稱(chēng)為吸收邊緣。通過(guò)追蹤在這個(gè)邊緣之前、期間和之后的X射線吸收變化，研究人員可以觀察特定元素在材料內(nèi)部的化學(xué)變化——從金屬催化劑與其他化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)，到電池元件在循環(huán)過(guò)程中電荷狀態(tài)的變化。

"XANES非常強(qiáng)大，但直到現(xiàn)在，科學(xué)家不得不就測(cè)量的位置和在每個(gè)X射線能量水平上測(cè)量多久做出幾十甚至幾百個(gè)選擇，"APS物理學(xué)家和組長(zhǎng)Shelly Kelly說(shuō)。

X射線能量的某些區(qū)域富含化學(xué)信息，需要進(jìn)行大量測(cè)量。其他區(qū)域則不是，意味著所需的測(cè)量要少得多。"實(shí)驗(yàn)者往往不容易設(shè)定在給定能量區(qū)域進(jìn)行測(cè)量的最佳數(shù)量，"Kelly說(shuō)。"AI正在幫助我們消除XANES的猜測(cè)工作。"

團(tuán)隊(duì)的新方法用AI算法替代了手動(dòng)測(cè)量過(guò)程，該算法自動(dòng)選擇最有用的測(cè)量點(diǎn)。算法識(shí)別吸收邊緣可能發(fā)生的位置、哪些區(qū)域包含最多的化學(xué)細(xì)節(jié)以及哪些區(qū)域提供很少的額外信息。

"我們的AI方法只在需要的地方進(jìn)行測(cè)量，"計(jì)算科學(xué)家和論文第一作者M(jìn)ing Du說(shuō)。"它更智能、更快、更高效，讓研究人員能夠?qū)Ｗ⒂诖缶帧?

該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了一些新功能：AI指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)將樣品的演進(jìn)光譜與已知的起始和結(jié)束狀態(tài)（例如，完全充電的電極與完全放電的電極）進(jìn)行比較，AI可以實(shí)時(shí)告訴研究人員化學(xué)進(jìn)展的狀態(tài)、何時(shí)收集了足夠的信息、以及何時(shí)該繼續(xù)下一步。

"這不僅僅是加速測(cè)量，"Kelly說(shuō)。"這是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中做出決策——以前是人類(lèi)做的決策。"

這項(xiàng)工作指向了一個(gè)未來(lái)，X射線光束線（如APS的那些）更加自主，能夠更好地跟蹤復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。"這讓我們更接近能夠充分利用每個(gè)光子的智能X射線站，"Cherukara說(shuō)。"阿貢計(jì)劃繼續(xù)為下一代X射線科學(xué)開(kāi)發(fā)AI驅(qū)動(dòng)的工具，特別是隨著升級(jí)后的APS提供比以前亮500倍的光束。"