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Inverse materials design by integrating transfer learning techniques into a Bayesian framework

研究課題

研究課題/領域番号 18K18017
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分60030:統計科学関連
研究機関統計数理研究所

研究代表者

Wu Stephen  統計数理研究所, データ科学研究系, 准教授 (70804186)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2020年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2018年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
キーワードpolymer informatics / transfer learning / open source software / Transfer learning / Materials informatics / Polymer design / Open source software / Materials Informatics / Bayesian inference
研究成果の概要

ベイズ推定と転移学習という2つの重要な機械学習技術に基づき、私はPythonでXenonPyというオールインワン材料情報学プラットフォームを開発し、目的の特性を持つ材料構造の候補を作り出すことができるようになった。一般に公開されているXenonPyは、データサイエンスの活用し、新しい機能性材料の発見を加速するための基盤になる。このプラットフォームを使って、3つの新しい高熱伝導性ポリマーを発見し、合成することに成功した。最も優れた設計では、従来の市販ポリマーよりも80%高い熱伝導率を達成した。さらに、新しい液晶ポリイミドや高格子熱伝導性結晶など、産業的価値の高そうなものをいくつか発見した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

材料科学と機械学習の融合を図るマテリアルズインフォマティクス呼ばれる学際領域に期待が高まっているが、産業的に重要かつ新規な機能性材料の合成に成功した研究はまだ少ない。実験コストが高いためにデータが不足していることが、マテリアルインフォマティクスの実際の産業価値を実現するための重要なボトルネックになっている。同技術を用いることで,データが豊富な重要度の低い材料特性から、データが少ない重要度の高い材料特性にも関連する有用な情報を抽出することができる。今までデータ不足のためマテリアルインフォマティクスの応用が失敗した材料科学問題を突破する鍵になる研究である。

報告書

(5件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 2018 実施状況報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2022 2021 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 10件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 7件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 7件、 招待講演 7件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Descriptors of intrinsic hydrodynamic thermal transport: screening a phonon database in a machine learning approach2022

    • 著者名/発表者名
      Torres Pol、Wu Stephen、Ju Shenghong、Liu Chang、Tadano Terumasa、Yoshida Ryo、Shiomi Junichiro
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Condensed Matter

      巻: 34 号: 13 ページ: 135702-135702

    • DOI

      10.1088/1361-648x/ac49c9

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Exploring diamondlike lattice thermal conductivity crystals via feature-based transfer learning2021

    • 著者名/発表者名
      Ju Shenghong、Yoshida Ryo、Liu Chang、Wu Stephen、Hongo Kenta、Tadano Terumasa、Shiomi Junichiro
    • 雑誌名

      Physical Review Materials

      巻: 5 号: 5 ページ: 053801-053801

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.5.053801

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Recovering compressed images for automatic crack segmentation using generative models2021

    • 著者名/発表者名
      Huang Yong、Zhang Haoyu、Li Hui、Wu Stephen
    • 雑誌名

      Mechanical Systems and Signal Processing

      巻: 146 ページ: 107061-107061

    • DOI

      10.1016/j.ymssp.2020.107061

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Data augmentation in microscopic images for material data mining2020

    • 著者名/発表者名
      Ma Boyuan、Wei Xiaoyan、Liu Chuni、Ban Xiaojuan、Huang Haiyou、Wang Hao、Xue Weihua、Wu Stephen、Gao Mingfei、Shen Qing、Mukeshimana Michele、Abuassba Adnan Omer、Shen Haokai、Su Yanjing
    • 雑誌名

      npj Computational Materials

      巻: 6 号: 1 ページ: 125-125

    • DOI

      10.1038/s41524-020-00392-6

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Potentials and challenges of polymer informatics: exploiting machine learning for polymer design2020

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu, Hironao Yamada, Yoshihiro Hayashi, Massimiliano Zamengo, Ryo Yoshida
    • 雑誌名

      arXiv (in press at Proceedings of the Institute of Statistical Mathematics (2021 special issue))

      巻: NA

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A general class of transfer learning regression without implementation cost2020

    • 著者名/発表者名
      Shunya Minami, Song Liu, Stephen Wu, Kenji Fukumizu, Ryo Yoshida
    • 雑誌名

      Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence

      巻: NA

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Bayesian Algorithm for Retrosynthesis2020

    • 著者名/発表者名
      Guo Zhongliang、Wu Stephen、Ohno Mitsuru、Yoshida Ryo
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Information and Modeling

      巻: 60 号: 10 ページ: 4474-4486

    • DOI

      10.1021/acs.jcim.0c00320

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Machine-learning-assisted discovery of polymers with high thermal conductivity using a molecular design algorithm2019

    • 著者名/発表者名
      Wu Stephen、Kondo Yukiko、Kakimoto Masa-aki、Yang Bin、Yamada Hironao、Kuwajima Isao、Lambard Guillaume、Hongo Kenta、Xu Yibin、Shiomi Junichiro、Schick Christoph、Morikawa Junko、Yoshida Ryo
    • 雑誌名

      npj Computational Materials

      巻: 5 号: 1 ページ: 66-66

    • DOI

      10.1038/s41524-019-0203-2

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Predicting Materials Properties with Little Data Using Shotgun Transfer Learning2019

    • 著者名/発表者名
      Yamada Hironao、Liu Chang、Wu Stephen、Koyama Yukinori、Ju Shenghong、Shiomi Junichiro、Morikawa Junko、Yoshida Ryo
    • 雑誌名

      ACS Central Science

      巻: 5 号: 10 ページ: 1717-1730

    • DOI

      10.1021/acscentsci.9b00804

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] iQSPR in XenonPy: A Bayesian Molecular Design Algorithm2019

    • 著者名/発表者名
      Wu Stephen、Lambard Guillaume、Liu Chang、Yamada Hironao、Yoshida Ryo
    • 雑誌名

      Molecular Informatics

      巻: 39 号: 1-2 ページ: 1900107-1900107

    • DOI

      10.1002/minf.201900107

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 高分子のバーチャルスクリーニング2021

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      統計関連学会連合大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Recovering compressed images for auto-segmentation of building cracks using deep generative models2020

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      The 163rd TCU-ARL Seminar: International Workshop on Data-driven Infrastructure Maintenance and Risk Management
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Recovering compressed images for auto-segmentation of building cracks using deep generative models2020

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      応用力学講演会 2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] A case study of machine-assisted polymer design and other transfer learning applications in materials informatics2019

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      第4 回FRIS 若手研究者学際 融合領域研究会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Discovery of new polymers using machine learning models and a Bayesian molecular design algorithm2019

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      The 3rd Forum of Materials Genome Engineering
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Engineering applications of hierarchical Bayesian modeling2019

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      ISI World Statistics Congress
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Potential of transfer learning with uncertainty quantification for materials informatics2019

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      Big data and uncertainty quantification: statistical inference and information theoretic techniques applied to computational chemistry conference
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Bayesian molecular Design Framework for Searching High Thermal Conductivity Polymers2018

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      統数研・流体研・AIMR合同Workshop
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] Accelerated Discovery of High Thermal Conductivity Polymers with a Bayesian Molecular Design Method2018

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      第67回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] 機械学習に基づくポリマー設計: 合成の壁を超えるには ~ 高熱伝導率ポリマーの設計事例2018

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      The 39th Japan Symposium on Thermophysical Properties
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] Bayesian Inverse Material Design for High Thermal Conductivity Polymers2018

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      I-URICフロンティアコロキウム
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] Engineering applications of transfer learning2018

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      Asia-Pacific-Euro Summer School on Smart Structures Technology 2018
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Engineering applications of the Bayesian problem solving framework2018

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      Workshop on the Frontier of Applied Bayesian Inference and Computation
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Potential of transfer learning in engineering applications2018

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      Big data forum on Big Data in Civil Engineering
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Applications of transfer learning in materials science2018

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      ISI-ISM-ISSAS Joint Conference 2019
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Potential of applying transfer learning to engineering applications: an example in materials science2018

    • 著者名/発表者名
      Stephen Wu
    • 学会等名
      信頼性工学分野におけるデータサイエンス技術の活用に関する講演会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [産業財産権] ベイズ推論による高熱電導高分子の設計と合成2018

    • 発明者名
      森川淳子, 吉田亮, Stephen Wu, 等
    • 権利者名
      森川淳子, 吉田亮, Stephen Wu, 等
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2018
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2023-01-30  

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