納米粒子是僅由幾百個(gè)原子組成的微小粒子，有助于創(chuàng)造世界上最新的“智能”表面和系統(tǒng)。納米粒子在透明防曬霜和防污織物等尖端消費(fèi)品的開發(fā)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們還被設(shè)計(jì)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如體內(nèi)藥物輸送。

聽起來像是一種神奇的物質(zhì)，對(duì)吧?障礙在于，在實(shí)驗(yàn)室中識(shí)別一個(gè)類似于大海撈針。在數(shù)十萬個(gè)納米粒子的潛在池中，實(shí)際上只有少數(shù)可能是可行的——這意味著它們的大小合適，并且可以在特定的溫度范圍(例如體溫)內(nèi)工作。那么研究人員如何促進(jìn)這一過程呢?機(jī)器學(xué)習(xí)。

藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院 (A&S) 化學(xué)助理教授 Davoud Mozhdehi 和工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 (ECS) 生物醫(yī)學(xué)與化學(xué)工程副教授 Shikha Nangia 已獲得國家資助的 575,000 美元科學(xué)基金會(huì)開發(fā)一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，以幫助發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)新的智能納米生物材料。

該項(xiàng)目源于該團(tuán)隊(duì)最近為設(shè)計(jì)用于向大腦輸送治療藥物的納米粒子模型所做的努力。當(dāng)該小組使用他們的理論預(yù)測粒子在特定溫度下工作的大小和穩(wěn)定性時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)他們的模型是錯(cuò)誤的。毫不畏懼，這種挫折促使他們更深入地研究尋找一種新方法來提出預(yù)測規(guī)則來指導(dǎo)納米粒子的設(shè)計(jì)。

多虧了CUSE 資助，Mozhdehi 和 Nangia 收集了初步數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有助于他們新提案的關(guān)鍵部分，該提案確立了使用計(jì)算機(jī)預(yù)測納米粒子功能特性的可行性。他們目前的項(xiàng)目結(jié)合了模擬和實(shí)驗(yàn)的輸入，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以更好地預(yù)測納米粒子在特定溫度下的響應(yīng)特性。

他們的合作項(xiàng)目將整合 Mozhdehi 實(shí)驗(yàn)室探索尺寸和形狀等物理特性的實(shí)驗(yàn)，以及 Nangia 實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算模擬。

通過結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，Nangia 和她的學(xué)生將根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)算法來模擬數(shù)百萬種納米粒子的變化，以加快溫度響應(yīng)納米粒子的設(shè)計(jì)。這種集成方法可以將設(shè)計(jì)時(shí)間縮短 100 到 1,000 倍。也就是說，使用他們的新方法，過去需要一年才能完成的工作現(xiàn)在可以在一到四天內(nèi)完成。

該團(tuán)隊(duì)的方法將著眼于識(shí)別數(shù)據(jù)中的模式，以確定哪些納米粒子在精確的溫度下是穩(wěn)定的。研究人員將他們的過程與谷歌和 Facebook 的算法進(jìn)行比較，這些算法梳理了數(shù)百萬用戶數(shù)據(jù)點(diǎn)，以便根據(jù)他們選擇的鏈接和在線購買的物品對(duì)個(gè)人進(jìn)行分組。他們的算法將聚集看起來不同但行為相同的粒子——就像點(diǎn)擊同一鏈接的不同個(gè)體一樣。他們的目標(biāo)是提取屬性并評(píng)估使某些粒子相似以及使它們不同的原因，以便開發(fā)理論來幫助對(duì)穩(wěn)定的納米粒子進(jìn)行建模。

一旦他們對(duì)功能溫度有了更多了解，Mozhdehi 的實(shí)驗(yàn)室將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確定物理特性，例如納米粒子的可能大小和形狀。然后可以將他們的結(jié)果應(yīng)用回項(xiàng)目的機(jī)器學(xué)習(xí)部門，以更好地校準(zhǔn)這些結(jié)果。

Mozhdehi 和 Nangia 都是BioInspired Institute的成員，他們希望該項(xiàng)目能夠建立一種具有成本效益的方法來推動(dòng)規(guī)則，有朝一日能夠開發(fā)出在廣泛的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定的納米粒子。研究人員表示，這項(xiàng)基礎(chǔ)研究可能會(huì)導(dǎo)致未來納米生物材料的發(fā)展，這種材料可以將治療藥物直接輸送到癌癥生長和受損器官。