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Discovery of innovative functional materials using state-of-the-art machine learning

Research Project

Project/Area Number 19H01132
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 61:Human informatics and related fields
Research InstitutionThe Institute of Statistical Mathematics

Principal Investigator

Yoshida Ryo  統計数理研究所, 先端データサイエンス研究系, 教授 (70401263)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥44,980,000 (Direct Cost: ¥34,600,000、Indirect Cost: ¥10,380,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2021: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2019: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Keywordsマテリアルズインフォマティクス / 機械学習 / データベース / シミュレーション / 高分子材料 / 準結晶 / 転移学習 / 分子設計 / 逆合成経路解析 / 第一原理計算 / 分子動力学シミュレーション / 高分子 / 量子科学計算
Outline of Research at the Start

本研究は,マテリアルズインフォマティクス(MI)と呼ばれるデータ科学と材料研究の学際領域を対象とする.一般に材料研究のパラメータ空間は極めて広大である.例えば,低分子有機化合物の化学空間には,10の60乗を超える候補物質が存在すると言われている.先端材料の研究開発では,さらにプロセスや添加剤・溶媒選択等のパラメータが加わり,パラメータ空間の次元は爆発的に増大する.MIの問題の多くは,このような広大な探索空間から所望の特性を併せ持つパラメータを同定することに帰着する.本研究は,機械学習及を方法論面の柱とし,物質構造の“表現・学習・生成”を目的とするデータ科学の体系を確立し,実践・実証研究を推進する.

Outline of Final Research Achievements

We have established the foundation (material database, theory and methodology of machine learning) of materials informatics for various material systems such as polymeric materials, inorganic compounds, and quasiperiodic materials. In particular, to overcome the problem of insufficient data resources, which is the biggest obstacle in data-driven materials research, we have promoted the integration of machine learning and computer experiments such as molecular dynamics simulations, the development of Sim2Real transfer learning methods for integrated analysis of heterogeneous data from real-world and computer experiments, and the development of materials database. We have also applied these methodologies to discover new materials for various material systems (quasicrystals, highly thermally conductive amorphous polymers, polymer liquid crystals, etc.), thus demonstrating the concept of materials informatics.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

様々な材料系を対象にマテリアルズインフォマティクスの方法・実践・実証に関する研究を実施した.特にデータ駆動型材料研究では,データ資源の不足が問題視されている.この問題を乗り越えるために,計算機実験による大規模データベースを構築し,転移学習等の方法論で大量のシミュレーションデータと限られた実験データを統合的に解析するすることで,高精度な予測器を構築できることを実証した.さらに,開発した機械学習の手法を用いて,準結晶,高熱伝導非晶質高分子,高分子液晶等,様々な新物質創製を実現した.なお全ての研究において論文発表時にデータとソースコードを公開した.

Report

(7 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (161 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (29 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results,  Peer Reviewed: 23 results,  Open Access: 26 results) Presentation (123 results) (of which Int'l Joint Research: 21 results,  Invited: 97 results) Book (1 results) Remarks (5 results)

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  • [Presentation] マテリアルズインフォマティクスの方法とその実践2023

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      吉田 亮
    • Organizer
      情報機構セミナー
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  • [Presentation] 機械学習による材料の予測・理解・発見:高分子材料・準結晶研究への応用事例2023

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      2023年度公益社団法人日本金属学会関東支部講習会 「機械学習と金属工学:最新動向と材料開発への応用」
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  • [Presentation] 機械学習による物質の予測・理解・発見2023

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      吉田亮
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  • [Presentation] マテリアルズインフォマティクスと材料開発の未来2023

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      吉田亮
    • Organizer
      データサイエンス協会10thシンポジウム データサイエンスの最前線
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  • [Presentation] 高分子材料研究における実験・シミュレーション・機械学習の協奏2023

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      NEDOプロジェクトを核とした人材育成、産学連携等の総合的展開/データ駆動型材料設計利用技術者養成に係る特別講座
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  • [Presentation] データ駆動型高分子材料研究の方法と実践:産学連携によるオープンデータプラットフォームの共創2023

    • Author(s)
      吉田亮
    • Organizer
      高分子同友会 勉強会「新材料の創製(反応、合成、バイオ、触媒、解析、機能等)について勉強する会」
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  • [Presentation] Machine learning for quasicrystals2023

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      Ryo Yoshida
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      International Conference on Complex Orders in Condensed Matter (ICCOCM 2023)
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  • [Presentation] データ駆動型材料研究における実験・シミュレーション・機械学習の融合2023

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      吉田亮
    • Organizer
      日本金属学会 秋季講演大会
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  • [Presentation] データ駆動型材料研究の諸問題:統計的機械学習による予測・発見・理解2023

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      吉田亮
    • Organizer
      分子研研究会「イオン液体インフォマティクスの発展にむけて」
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  • [Presentation] データ駆動型高分子材料研究の諸問題:産学連携で限られたデータの壁を乗り越える2023

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      吉田亮
    • Organizer
      日本化学会関東支部 講演会「マテリアルズインフォマティクスの最先端~化学産業への展開~」
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  • [Presentation] 逐次実験計画法と高分子物性自動計算の融合に基づく光学用高分子の探索2023

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      南條 舜, アリフィン, 林 慶浩, 吉田 亮
    • Organizer
      2023年度統計関連学会連合大会
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  • [Presentation] 高分子材料におけるSim2Real転移学習2023

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      林 慶浩, 南 俊匠, 南條 舜, 髙橋 愛子, 吉田 亮
    • Organizer
      2023年度統計関連学会連合大会
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  • [Presentation] カーネル平均埋め込みによる材料の表現2023

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      2023年度統計関連学会連合大会
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  • [Presentation] Exploring vast material landscapes using artificial intelligence2023

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      Ryo Yoshida
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      International Symposium on Living Systems Materialogy
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  • [Presentation] データ駆動型材料研究におけるデータ資源の不足をいかに乗り越えるか2023

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      吉田亮
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      色材セミナー 「~色材開発におけるデジタル技術の活用~」
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  • [Presentation] データ駆動型材料研究における実験・シミュレーション・機械学習の融合2023

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      吉田亮
    • Organizer
      統計数理研究所 産学連携シンポジウム「『統計的機械学習』の中核としての統計数理」
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  • [Presentation] Machine learning for overcoming data scarcity2023

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      Ryo Yoshida
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      The 4th International Conference on Data-Driven Plasma Science (ICDDPS-4)
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  • [Presentation] 自動分子シミュレーションによる高分子物性データプラットフォームの産学共創2023

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      林 慶浩, Wu Stephen, 野口 瑶, 髙橋 愛子, 吉田 亮
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      第72回高分子学会年次大会
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  • [Presentation] 機械学習による半導体準結晶の探索2023

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      草場 穫, 劉 暢, 藤田 絵梨奈, 桂 ゆかり, 木村 薫, 吉田 亮
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      第27回準結晶研究会
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  • [Presentation] データ駆動型高分子材料研究の最前線限られたデータの壁を乗り越える2023

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      吉田 亮
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      第2回「富岳」成果創出加速プログラム 研究交流会「富岳百景」
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  • [Presentation] データ駆動型材料科学における統計的機械学習とシミュレーションの融合:限られたデータの壁を乗り越える2023

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      吉田 亮
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      2023年電子情報通信学会総合大会
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  • [Presentation] データ駆動型物質・材料研究の諸問題:限られたデータの壁を乗り越える2023

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      吉田 亮
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      日本化学会第103春季年会
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  • [Presentation] データ駆動型高分子材料研究ロードマップ:限られたデータの壁を乗り越えるために2023

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      吉田 亮
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      吉田 亮
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      産総研 データ駆動型材料設計技術利用推進コンソーシアム 設立記念講演会
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  • [Presentation] データ駆動型材料研究における統計的機械学習とシミュレーションの融合2022

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      吉田 亮
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      ウ ステファン, 前田 颯, 丸井 莉花, 吉田 絵里菜, 難波江 裕太, 早川 晃鏡, 野口 瑶, 林 慶浩, 吉田 亮
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      第71回高分子討論会
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      2022年度統計関連学会連合大会
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      吉田 亮
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      日本物理学会2022年秋季大会シンポジウム
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      第83回応用物理学会秋季学術講演会
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      吉田 亮
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  • [Presentation] データ駆動型材料研究における統計的諸問題:現状と展望2022

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      吉田 亮
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      第15回 品質工学技術戦略研究発表大会
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      Yuta Aoki, Teruki Tsurimoto, Tadamichi Okubo, Stephen Wu, Yoshihiro Hayashi, Shunya Minami, Kazuya Shiratori, Ryo Yoshida
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      5th G’L’owing Polymer Symposium in KANTO (GPS-K2022)
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  • [Presentation] 機械学習による半導体準結晶の探索2022

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      草場 穫, 劉 暢, 藤田 絵梨奈, 桂 ゆかり, 木村 薫, 吉田 亮
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      The 17th Pacific Polymer Conference (PPC17)
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      The 17th Pacific Polymer Conference (PPC17)
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  • [Presentation] Statistical Machine Learning for Materials Modeling and Simulation2022

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      2022 SIAM International Conference on Data Mining
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      吉田 亮
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      「富岳」成果創出加速プログラム「データ駆動型高分子材料研究を変革するデータ基盤創出」公開セミナー
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      吉田 亮
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Published: 2019-04-18   Modified: 2025-01-30  

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