第一章虛擬仿真技術(shù)在新材料研究中的引入第二章虛擬仿真技術(shù)的多尺度模擬能力第三章機(jī)器學(xué)習(xí)在材料性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用第四章虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)的協(xié)同驗(yàn)證機(jī)制第五章不同行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的差異化需求第六章技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與未來(lái)展望01第一章虛擬仿真技術(shù)在新材料研究中的引入第1頁(yè)：引言：新材料研究的挑戰(zhàn)與機(jī)遇新材料研究的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的局限性虛擬仿真技術(shù)的潛力降低研發(fā)成本與時(shí)間石墨烯研究的案例實(shí)驗(yàn)制備成本與成功率分析虛擬仿真的核心優(yōu)勢(shì)原子層面的交互模擬國(guó)際材料科學(xué)學(xué)會(huì)的報(bào)告全球新材料研發(fā)投入與商業(yè)化成功率某跨國(guó)材料公司實(shí)驗(yàn)室量子計(jì)算模擬器與實(shí)驗(yàn)失敗報(bào)告第2頁(yè)：虛擬仿真技術(shù)的核心概念與分類(lèi)分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬碳納米管的拉伸強(qiáng)度預(yù)測(cè)第一性原理計(jì)算鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)無(wú)機(jī)材料導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)精度MD模擬的應(yīng)用案例某高校高溫合金相變溫度的發(fā)現(xiàn)第一性原理計(jì)算的應(yīng)用案例鋰離子在硅負(fù)極中的嵌入過(guò)程模擬機(jī)器學(xué)習(xí)在材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用特斯拉電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)的鋰離子模擬第3頁(yè)：應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)路線圖案例1：某高校高溫合金研究通過(guò)MD模擬發(fā)現(xiàn)新型高溫合金的相變溫度案例2：特斯拉電池研發(fā)通過(guò)模擬優(yōu)化鋰離子在硅負(fù)極中的嵌入過(guò)程市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)2025-2030年全球虛擬仿真材料市場(chǎng)規(guī)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果第4頁(yè)：本章總結(jié)與過(guò)渡總結(jié)過(guò)渡數(shù)據(jù)引用虛擬仿真技術(shù)重構(gòu)新材料研發(fā)范式下章分析不同技術(shù)路徑對(duì)材料性能的預(yù)測(cè)精度差異美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）2023年調(diào)查02第二章虛擬仿真技術(shù)的多尺度模擬能力第5頁(yè)：引言：從原子到宏觀的模擬挑戰(zhàn)尺度跨越的挑戰(zhàn)從原子到宏觀的模擬范圍MIT團(tuán)隊(duì)的研究石墨烯在彎曲狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)模擬問(wèn)題引入原子運(yùn)動(dòng)與實(shí)驗(yàn)觀察的時(shí)間尺度差異模擬的必要性實(shí)驗(yàn)方法的局限性展示場(chǎng)景科研人員使用量子計(jì)算模擬器調(diào)整納米材料實(shí)驗(yàn)失敗報(bào)告堆積如山的實(shí)驗(yàn)失敗報(bào)告第6頁(yè)：分子動(dòng)力學(xué)模擬的精度驗(yàn)證MD模擬的精度驗(yàn)證不同方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表格對(duì)比不同MD方法對(duì)銅單晶延展性的模擬結(jié)果關(guān)鍵數(shù)據(jù)斯坦福大學(xué)通過(guò)LAMMPS模擬發(fā)現(xiàn)原子相互作用截?cái)喟霃降挠绊懣梢暬故俱~原子在拉伸過(guò)程中的層錯(cuò)形成過(guò)程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)透射電鏡圖像與模擬結(jié)果的對(duì)比第7頁(yè)：第一性原理計(jì)算的適用邊界計(jì)算成本分析鈣鈦礦能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算所需的GPU時(shí)間應(yīng)用案例伯克利實(shí)驗(yàn)室通過(guò)VASP模擬發(fā)現(xiàn)新型拓?fù)洳牧暇雀倪M(jìn)非正則性修正對(duì)磁矩預(yù)測(cè)精度的提升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鈷氧化物電子態(tài)密度的預(yù)測(cè)偏差熱圖計(jì)算效率提升通過(guò)優(yōu)化算法減少計(jì)算時(shí)間第8頁(yè)：本章總結(jié)與過(guò)渡總結(jié)過(guò)渡數(shù)據(jù)引用多尺度模擬技術(shù)突破實(shí)驗(yàn)尺度限制第三章將論證機(jī)器學(xué)習(xí)如何通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)彌補(bǔ)理論計(jì)算的根本性缺陷斯坦福大學(xué)2023年白皮書(shū)03第三章機(jī)器學(xué)習(xí)在材料性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用第9頁(yè)：引言：從'黑箱'到可解釋的預(yù)測(cè)模型傳統(tǒng)模型與機(jī)器學(xué)習(xí)模型的對(duì)比預(yù)測(cè)能力的差異麻省理工學(xué)院的案例通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)電池材料的熱穩(wěn)定性問(wèn)題引入傳統(tǒng)化學(xué)方法的預(yù)測(cè)成功率模型改進(jìn)引入可解釋性方法展示場(chǎng)景科研團(tuán)隊(duì)使用虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)材料模型優(yōu)化通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)提高預(yù)測(cè)精度第10頁(yè)：高斯過(guò)程回歸的精度驗(yàn)證GPR模型的精度驗(yàn)證不同模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表格對(duì)比不同ML模型對(duì)DFT計(jì)算數(shù)據(jù)的擬合能力關(guān)鍵數(shù)據(jù)斯坦福大學(xué)通過(guò)GPR預(yù)測(cè)石墨烯摻雜后的帶隙變化可視化展示不同實(shí)驗(yàn)條件下的材料性能分布熱圖插值方法Kriging插值在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)稀疏情況下的數(shù)據(jù)外推第11頁(yè)：主動(dòng)學(xué)習(xí)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)算法流程主動(dòng)學(xué)習(xí)在材料篩選中的四步循環(huán)案例谷歌DeepMind團(tuán)隊(duì)通過(guò)主動(dòng)學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)新型催化劑效率提升主動(dòng)學(xué)習(xí)與隨機(jī)實(shí)驗(yàn)的篩選效率對(duì)比展示圖主動(dòng)學(xué)習(xí)與隨機(jī)實(shí)驗(yàn)的材料性能提升曲線數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)通過(guò)數(shù)據(jù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)第12頁(yè)：本章總結(jié)與過(guò)渡總結(jié)過(guò)渡數(shù)據(jù)引用機(jī)器學(xué)習(xí)通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模，顯著提升新材料發(fā)現(xiàn)效率第四章將探討虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)的協(xié)同驗(yàn)證機(jī)制斯坦福大學(xué)2023年白皮書(shū)04第四章虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)的協(xié)同驗(yàn)證機(jī)制第13頁(yè)：引言：從'模擬-實(shí)驗(yàn)'到'實(shí)驗(yàn)-模擬'的閉環(huán)傳統(tǒng)驗(yàn)證流程與雙向閉環(huán)流程的對(duì)比效率與可靠性的差異案例劍橋大學(xué)通過(guò)迭代驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)新型拓?fù)浣^緣體問(wèn)題引入實(shí)驗(yàn)與模擬的相互驗(yàn)證雙向驗(yàn)證的優(yōu)勢(shì)提高結(jié)果的可靠性展示場(chǎng)景科研團(tuán)隊(duì)在虛擬空間中觀察材料微觀結(jié)構(gòu)交互優(yōu)化通過(guò)手勢(shì)交互調(diào)整參數(shù)第14頁(yè)：實(shí)驗(yàn)參數(shù)的虛擬優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)的虛擬優(yōu)化通過(guò)模擬優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件表格對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的效率對(duì)比關(guān)鍵數(shù)據(jù)密歇根大學(xué)通過(guò)模擬預(yù)測(cè)燒結(jié)溫度展示圖不同表面改性策略的細(xì)胞粘附模擬結(jié)果數(shù)據(jù)優(yōu)化通過(guò)模擬優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)第15頁(yè)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的空間插值算法流程Kriging插值在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)稀疏情況下的數(shù)據(jù)外推案例?？松梨诠就ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)-模擬協(xié)同發(fā)現(xiàn)新型潤(rùn)滑劑精度驗(yàn)證模擬預(yù)測(cè)的粘溫特性與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)比展示熱圖不同實(shí)驗(yàn)條件下的材料性能分布插值方法通過(guò)插值優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)第16頁(yè)：本章總結(jié)與過(guò)渡總結(jié)過(guò)渡數(shù)據(jù)引用雙向協(xié)同驗(yàn)證機(jī)制實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的最優(yōu)配置第五章將分析不同行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的差異化需求歐洲材料研究基金會(huì)2022年報(bào)告05第五章不同行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的差異化需求第17頁(yè)：引言：從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)界的應(yīng)用差異行業(yè)需求差異實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)界的應(yīng)用差異案例波音公司通過(guò)虛擬仿真優(yōu)化鋁鋰合金成分問(wèn)題引入實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)材料與工業(yè)化應(yīng)用的差異行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景不同行業(yè)的虛擬仿真需求展示圖實(shí)驗(yàn)室材料與工業(yè)化材料的對(duì)比需求分析不同行業(yè)對(duì)虛擬仿真的具體需求第18頁(yè)：航空航天領(lǐng)域的苛刻要求行業(yè)要求航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊蟊砀駥?duì)比不同行業(yè)對(duì)虛擬仿真驗(yàn)證等級(jí)的要求關(guān)鍵數(shù)據(jù)洛克希德·馬丁通過(guò)多物理場(chǎng)模擬驗(yàn)證F-35戰(zhàn)機(jī)復(fù)合材料展示圖有限元網(wǎng)格細(xì)化過(guò)程驗(yàn)證等級(jí)不同驗(yàn)證等級(jí)的具體要求第19頁(yè)：生物醫(yī)用材料的特殊考量行業(yè)要求生物醫(yī)用材料對(duì)安全性、生物相容性的要求算法流程生物相容性預(yù)測(cè)的三步流程案例約翰霍普金斯醫(yī)院通過(guò)虛擬仿真優(yōu)化鈦合金植入物展示圖不同表面改性策略的細(xì)胞粘附模擬結(jié)果特殊考量生物醫(yī)用材料的特殊要求第20頁(yè)：本章總結(jié)與過(guò)渡總結(jié)過(guò)渡數(shù)據(jù)引用不同行業(yè)對(duì)虛擬仿真的需求差異第六章將總結(jié)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與未來(lái)展望美國(guó)制造業(yè)協(xié)會(huì)2023年調(diào)查06第六章技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與未來(lái)展望第21頁(yè)：引言：從計(jì)算材料學(xué)到數(shù)據(jù)材料學(xué)技術(shù)演進(jìn)從計(jì)算材料學(xué)到數(shù)據(jù)材料學(xué)展示圖科研團(tuán)隊(duì)使用虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)材料問(wèn)題引入材料科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)發(fā)展虛擬仿真技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向展示場(chǎng)景元宇宙中的材料設(shè)計(jì)第22頁(yè)：量子計(jì)算的突破性進(jìn)展技術(shù)突破量子計(jì)算在材料模擬中的應(yīng)用表格對(duì)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)與量子計(jì)算機(jī)在材料模擬中的性能預(yù)測(cè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)IBMQiskit團(tuán)隊(duì)通過(guò)量子退火模擬發(fā)現(xiàn)新型拓?fù)洳牧险故緢D電子在原子間的跳躍過(guò)程模擬動(dòng)畫(huà)應(yīng)用前景量子計(jì)算在材料科學(xué)中的發(fā)展前景第23頁(yè)：元宇宙與沉浸式材料設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用元宇宙中的材料設(shè)計(jì)算法流程在元宇宙中實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)的四步流程案例福特汽車(chē)通過(guò)元宇宙平臺(tái)