科學(xué)家們開發(fā)出了一種開創(chuàng)性的人工智能驅(qū)動技術(shù)，它能揭示納米粒子的隱秘運(yùn)動，而納米粒子在材料科學(xué)、制藥和電子學(xué)中至關(guān)重要。通過將人工智能與電子顯微鏡相結(jié)合，研究人員現(xiàn)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(yè)流程和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

科學(xué)家們開發(fā)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(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 這一突破發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上，它將人工智能與電子顯微鏡相結(jié)合，創(chuàng)造出納米粒子在不同條件下如何反應(yīng)的詳細(xì)視覺效果。

"基于納米粒子的催化系統(tǒng)對社會有著巨大的影響，"紐約大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)中心主任、數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)教授卡洛斯-費(fèi)爾南德斯-格蘭達(dá)（Carlos Fernandez-Granda）解釋說，他也是論文的作者之一。"據(jù)估計，90% 的制成品在其生產(chǎn)鏈的某個環(huán)節(jié)都涉及催化過程。 我們已經(jīng)開發(fā)出一種人工智能方法，為探索材料中原子級結(jié)構(gòu)動態(tài)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(shù)據(jù)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(yán)重破壞，但這對于觀察納米粒子表面與其功能相關(guān)的基本動態(tài)行為是必要的。 右圖是人工智能系統(tǒng)的輸出結(jié)果，該系統(tǒng)能夠有效去除噪聲，并揭示納米粒子的原子結(jié)構(gòu)。 圖片來源：亞利桑那州立大學(xué)的彼得-克羅澤、約書亞-文森特和紐約大學(xué)的卡洛斯-費(fèi)爾南德斯-格蘭達(dá)、斯里亞斯-莫漢提供

這項研究是與亞利桑那州立大學(xué)、康奈爾大學(xué)和愛荷華大學(xué)的科學(xué)家合作進(jìn)行的，它將電子顯微鏡與人工智能融為一體。 這種強(qiáng)大的組合使科學(xué)家們能夠以前所未有的細(xì)節(jié)和速度觀察分子結(jié)構(gòu)和運(yùn)動，最小可達(dá)十億分之一米。

亞利桑那州立大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jié)構(gòu)在化學(xué)反應(yīng)過程中的變化速度極快，我們需要以極高的速度收集數(shù)據(jù)才能了解它們的功能。這導(dǎo)致測量結(jié)果噪聲極大。 我們開發(fā)了一種人工智能方法，可以學(xué)習(xí)如何自動消除這些噪聲，從而實現(xiàn)關(guān)鍵原子級動態(tài)的可視化"。

觀察納米粒子上原子的運(yùn)動對于了解工業(yè)應(yīng)用中的功能至關(guān)重要。 問題在于，數(shù)據(jù)中幾乎看不到原子，因此科學(xué)家無法確定它們的行為方式--這就相當(dāng)于用老式相機(jī)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(xùn)練了一個深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（人工智能的計算引擎），它能夠"點(diǎn)亮"電子顯微鏡圖像，揭示底層原子及其動態(tài)行為。

"粒子變化的性質(zhì)異常多樣，包括通變期，表現(xiàn)為原子結(jié)構(gòu)、粒子形狀和方向的快速變化；理解這些動態(tài)變化需要新的統(tǒng)計工具，"康奈爾大學(xué)統(tǒng)計與數(shù)據(jù)科學(xué)系教授兼副系主任、國家統(tǒng)計科學(xué)研究所所長、論文作者之一大衛(wèi)-馬特森（David S. Matteson）解釋說。"這項研究引入了一種新的統(tǒng)計方法，利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析來量化通量，并跟蹤粒子在有序態(tài)和無序態(tài)之間轉(zhuǎn)換時的穩(wěn)定性。"

編譯自/ScitechDaily