科學家首次利用人工智能觀察原子運動

　　科學家們開發出了一種開創性的人工智能驅動技術，它能揭示納米粒子的隱秘運動，而納米粒子在材料科學、制藥和電子學中至關重要。通過將人工智能與電子顯微鏡相結合，研究人員現在可以直觀地看到以前被噪聲掩蓋的原子級變化。 這一突破使人們能夠更清楚地了解這些微小粒子在各種條件下的行為，從而有可能徹底改變工業流程和科學發現。

　　科學家們開發出一種新方法，用于揭示納米粒子如何隨時間移動和變化。 這些微小顆粒在制藥、電子和能源等行業中發揮著至關重要的作用。 這一突破發表在《科學》（Science）上，它將人工智能與電子顯微鏡相結合，創造出納米粒子在不同條件下如何反應的詳細視覺效果。

　　"基于納米粒子的催化系統對社會有著巨大的影響，"紐約大學數據科學中心主任、數學和數據科學教授卡洛斯-費爾南德斯-格蘭達（Carlos Fernandez-Granda）解釋說，他也是論文的作者之一。"據估計，90% 的制成品在其生產鏈的某個環節都涉及催化過程。 我們已經開發出一種人工智能方法，為探索材料中原子級結構動態打開了一扇新窗口"。

　　左圖是通過電子顯微鏡成像的鉑納米粒子。 這些數據具有足夠的空間分辨率來顯示單個原子。 然而，由于時間分辨率較高，這些圖像受到噪聲的嚴重破壞，但這對于觀察納米粒子表面與其功能相關的基本動態行為是必要的。 右圖是人工智能系統的輸出結果，該系統能夠有效去除噪聲，并揭示納米粒子的原子結構。 圖片來源：亞利桑那州立大學的彼得-克羅澤、約書亞-文森特和紐約大學的卡洛斯-費爾南德斯-格蘭達、斯里亞斯-莫漢提供

　　這項研究是與亞利桑那州立大學、康奈爾大學和愛荷華大學的科學家合作進行的，它將電子顯微鏡與人工智能融為一體。 這種強大的組合使科學家們能夠以前所未有的細節和速度觀察分子結構和運動，最小可達十億分之一米。

　　亞利桑那州立大學材料科學與工程學教授、本文作者之一 Peter A. Crozier 解釋說："電子顯微鏡可以捕捉高空間分辨率的圖像，但由于納米粒子的原子結構在化學反應過程中的變化速度極快，我們需要以極高的速度收集數據才能了解它們的功能。這導致測量結果噪聲極大。 我們開發了一種人工智能方法，可以學習如何自動消除這些噪聲，從而實現關鍵原子級動態的可視化"。

　　觀察納米粒子上原子的運動對于了解工業應用中的功能至關重要。 問題在于，數據中幾乎看不到原子，因此科學家無法確定它們的行為方式--這就相當于用老式相機在夜間拍攝的視頻中追蹤物體。 為了解決這一難題，論文作者訓練了一個深度神經網絡（人工智能的計算引擎），它能夠"點亮"電子顯微鏡圖像，揭示底層原子及其動態行為。

　　"粒子變化的性質異常多樣，包括通變期，表現為原子結構、粒子形狀和方向的快速變化；理解這些動態變化需要新的統計工具，"康奈爾大學統計與數據科學系教授兼副系主任、國家統計科學研究所所長、論文作者之一大衛-馬特森（David S. Matteson）解釋說。"這項研究引入了一種新的統計方法，利用拓撲數據分析來量化通量，并跟蹤粒子在有序態和無序態之間轉換時的穩定性。"