Uutiset

Koneoppimisesta apua kemisteille: algoritmien avulla minimienergiapolut ja satulapisteet löytyvät tehokkaammin

Koneoppiminen avaa uusia mahdollisuuksia monille aloille – myös kemian tutkimukseen, minkä osoittaa Suomen tekoälykeskuksessa tehty tuore väitöstutkimus.
Machine learning in theoretical chemistry
Lähde: J. Chem. Phys. 147, 152720 (2017). Julkaistu AIP Publishingin luvalla.

 

Aalto-yliopiston tohtorikoulutettava Olli-Pekka Koistinen kehitti väitöskirjassaan gaussisiin prosesseihin perustuvia koneoppimisalgoritmeja, jotka tehostavat minimienergiapolkujen ja satulapisteiden etsintää, sekä testasi niiden toimivuutta.

Teoreettisessa kemiassa minimienergiapolkujen ja satulapisteiden määrittäminen on yksi eniten aikaa ja laskentaresursseja kuluttavista tehtävistä. Laskenta-aikaa kuluu etenkin atomikonfiguraation tarkan energian ja gradienttivektorin määrittämiseen. Se joudutaan tekemään erikseen jopa sadoissa konfiguraatioavaruuden pisteissä.

Koneoppimista hyödyntävät menetelmät voivat vähentää tarvittavien havaintopisteiden ja raskaiden energialaskujen määrää murto-osaan siitä, mitä perinteiset menetelmät vaativat, ja siten nopeuttaa ja keventää laskentaa.

Minimienergiapolut kulkevat potentiaalienergiapinnalla, joka kuvaa järjestelmän – esimerkiksi molekyylin – energiaa tiettyjen parametrien suhteen. Yleensä nämä parametrit kertovat atomien sijainnin. Energiapinnan paikalliset minimikohdat vastaavat systeemin vakaita tiloja. Minimienergiapolut yhdistävät näitä vakaita tiloja toisiinsa ja kuvaavat mahdollisia reaktiomekanismeja.

”Suunnistajana ajattelen energiapintaa karttana. Pysyvät atomikonfiguraatiot näkyvät kartassa kuoppina. Minimienergiapolku on reitti kahden tällaisen tilan välillä. Se pysyy koko ajan mahdollisimman matalana. Polun korkein kohta on satulapisteessä, jolloin se pääsee pujahtamaan kuopasta toiseen mahdollisimman matalalta”, Koistinen selittää.

Perinteisesti minimienergiapolkuja ja satulapisteitä on etsitty iteratiivisilla menetelmillä, jotka etenevät energiapinnalla pienin askelin. Koneoppimisen ja tilastollisten mallien avulla aikaisemmat havainnot voidaan käyttää hyväksi energiapinnan mallintamiseksi, jolloin tavoitteeseen voidaan päästä huomattavasti vähemmillä iteraatioilla.

Koneoppiminen tarjoaa siis tehtävään tehokkaamman ja kevyemmän sekä sitä kautta myös aiempaa halvemman ja ympäristöystävällisemmän keinon. Se voi myös avata mahdollisuuksia sellaisten ongelmien tutkimiseen, joihin käytännön resurssit eivät ole aikaisemmin riittäneet. ”Tämä on yksi esimerkki lisää siitä, mihin koneoppimismenetelmiä voi käyttää”, Koistinen sanoo.

Diplomi-insinööriOlli-Pekka Koistinen väittelee torstaina 9. tammikuuta 2020 Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulussa Kandidaattikeskuksen salissa E (Y124). Väitöskirjan nimi on "Algorithms for Finding Saddle Points and Minimum Energy Paths Using Gaussian Process Regression".

Linkki väitöskirjaan: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/41794

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Opiskelijoita työskentelemässä. Kuva: Mikko Raskinen
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Naisyrittäjät pelkäävät sotaa enemmän kuin miehet

Naisyrittäjät pelkäävät Ukrainassa käytävää sotaa enemmän kuin miespuoliset kollegansa, käy ilmi Kauppakorkeakoulun tuoreesta tutkimuksesta.
Kuvassa näkyy Taloudenpuolustuskurssin puhujia keskustelemassa lavalla.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Historian kahdeksannella Taloudenpuolustuskurssilla puhuttiin riskeistä

Radikaalissa epävarmuudessa kannattaa pyrkiä hahmottamaan erilaisia skenaarioita ja suhtautua kriittisesti tarinoihin ”uudesta ajasta”, sanovat Kauppakorkeakoulun professorit.
Electronics - ICT Otaniemessä. Mikroelektroniikan suunnittelua.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

EU rahoittaa lähes 20 miljoonalla eurolla konsortiota tulevaisuuden tutkatutkimuksessa

Aalto-yliopisto on mukana ARTURO-konsortiossa, jota rahoittaa Euroopan puolustusrahasto (EDF).
The picture shows Tilman Bauer near the stairs in the School of Business building.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Jos haluat rakentaa rauhaa, opiskele kauppatieteitä!

Liiketoiminnan tarkoitus yhteiskunnassa on edistää rauhaa, sanoo Kauppakorkeakoulussa väitöskirjaansa valmisteleva Tilman Bauer.