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2020 年度 実績報告書

材料科学におけるデータ駆動型探索技術の確立

研究課題

研究課題/領域番号 17K19953
研究機関北海道大学

研究代表者

瀧川 一学  北海道大学, 化学反応創成研究拠点, 特任准教授 (10374597)

研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2021-03-31
キーワード機械学習 / データ駆動科学 / データマイニング
研究実績の概要

本課題の研究協力者である北海道大学触媒科学研究所のグループとの密な連携を通して、特に工業的な化学合成・自動車の排ガス浄化・メタン転換など化学産業の主対象の一つである不均一系触媒の設計に関して機械学習を活用するデータ駆動型アプローチの実践研究および展開研究を行った。
最終年度は前年度に確立した文献報告された実験データからの収率予測のアプローチをさらに検討・改善し、特に構成元素の種類ではなく元素記述子を反映する入力表現法とその機械学習に基づく逐次モデルベース最適化アルゴリズムの研究を行った。また、メタンの酸化カップリング反応に関する触媒の文献データについては従来研究で構築された2010年度までの1868レコードを、2019年度までの4759レコードに拡充し、近年の触媒科学の傾向も反映したデータを構築するとともに、それに対して機械学習に基づく解析を行い、論文投稿を行った。新たな解析ではデータ自体の傾向を詳細に分析するとともに、特に、機械学習モデルに基づく逐次モデルベース最適化の枠組みで期待改善度の高い触媒候補の組成や特性の分析を行い、高い期待改善度を持つ触媒候補に関して決定木アンサンブルに基づくSHAP法を用いたローカルな説明、および、変数重要度についてのグローバルな説明のパーミュテーション重要度との差異の分析、および予測面の分析やPDP図による解析を行った。
本研究課題の目的は、現在までに得られたデータに基づいて合理的、効率的、かつ、 網羅的に候補物質を絞り込むデータ駆動型の帰納的な探索技術の確立を目指すことであった。研究期間を通じて、実際の触媒科学研究者と協働し、文献報告を含む実験データ、モデルを用いた計算シミュレーションデータなど、多様なデータを活用する触媒科学研究の基盤を確立し論文化することができ、さらに実際の触媒研究で活用していく実践研究へも道筋をつけることができた。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Frontier molecular orbital based analysis of solid-adsorbate interactions over group 13 metal oxide surfaces2020

    • 著者名/発表者名
      Liu C, Li Y, Takao M, Toyao T, Kamachi T, Hinuma Y, Takigawa I, Shimizu K.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 124(28) ページ: 15355-15365

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.0c04480

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dual graph convolutional neural network for predicting chemical networks.2020

    • 著者名/発表者名
      Harada S, Akita H, Tsubaki M, Baba Y, Takigawa I, Yamanishi Y, Kashima H
    • 雑誌名

      BMC Bioinformatics

      巻: 21(Suppl 3) ページ: 94

    • DOI

      10.1186/s12859-020-3378-0

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 触媒インフォマティクスの動向2020

    • 著者名/発表者名
      鳥屋尾 隆・清水研一・瀧川一学
    • 雑誌名

      科学と工業

      巻: 94(7) ページ: 182-187

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Machine learning predictions of adsorption energies of CH4-related species.2020

    • 著者名/発表者名
      Toyao T, Takigawa I, Shimizu K
    • 雑誌名

      Direct Hydroxylation of Methane. Springer, Singapore

      巻: in book ページ: 135-149

    • DOI

      10.1007/978-981-15-6986-9_7

  • [学会発表] 深層生成モデルを用いた分子グラフ自動補完2021

    • 著者名/発表者名
      胡晟・瀧川一学・肖川
    • 学会等名
      第13回データ工学と情報マネジメントに関するフォーラム(DEIM2021)
  • [学会発表] 不均一系触媒研究のための機械学習と最適実験計画2021

    • 著者名/発表者名
      瀧川一学
    • 学会等名
      理化学研究所 環境資源科学研究センター(CSRS) インフォマティクス・データ科学推進プログラム成果報告会
    • 招待講演
  • [学会発表] コスト制約つき組合せ問題に対するZDDを用いた高速な解列挙手法2020

    • 著者名/発表者名
      湊真一・番原睦則・堀山貴史・川原純・瀧川一学・山口勇太郎
    • 学会等名
      電子情報通信学会 コンピュテーション研究会(COMP)
  • [学会発表] 分子のグラフ表現と機械学習2020

    • 著者名/発表者名
      瀧川一学
    • 学会等名
      セッション「データサイエンスの世界をのぞいてみませんか? 」日本化学会 第10回CSJ化学フェスタ2020
    • 招待講演
  • [学会発表] 機械学習による化学反応の予測と設計2020

    • 著者名/発表者名
      瀧川一学
    • 学会等名
      セッション「生命科学・材料科学におけるデータサイエンスの最前線」、2020年度統計関連学会連合大会
    • 招待講演

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公開日: 2021-12-27  

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