日本信息集成型物质材料研发计划研究

材料是社会发展的重要物质基础，材料创新是各种颠覆性技术革命的核心，新材料研发技术是体现一个国家科技发展水平的关键标志。在美国2012年财政预算中，新增了1亿美元用于支持一项名为“材料基因组”（Materials Genome Initiative，MGI）的创新计划。该计划结合已知的可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组分、晶体和各种物性的数据库，并利用信息学、统计学方法，通过数据挖掘探寻材料结构和性能之间的关系模式，把成分—结构—性能关系的数据库与计算材料设计结合起来，以期加快材料研发速度、降低材料研发的成本、提高材料设计的成功率，从而缩短材料开发的时间跨度。

该计划的发布引发了新材料研发的革命，多个国家争相开展布局，不断加大投入。日本作为材料技术研发强国，紧随美国的脚步，于2015年公布了被称为日本版材料基因组计划的“信息集成型物质和材料研发计划”，本文对日本信息集成型物质材料研发计划出台的背景、具体实施体系以及相应硬件平台、支撑政策、科研成果等进行分析，以期为我国相应科研计划的制定带来借鉴和参考。

2.1 研究目标

日本MI²I由科学技术振兴机构负责牵头制定，由物质和材料研究机构作为核心实施单位负责具体执行。该计划利用最尖端的数据解析手法，将材料科学领域庞大的数据群进行信息化整合，在不断完善数据库的同时，综合利用材料科学、信息科学、数据科学等多学科的研究方法和研究工具，打造“信息集成型材料研发系统”并形成共享平台，以实现短期内有效应对产业界的课题，形成物质材料学科的新格局。

具体方案为：首先，在扩充现有物质材料数据库“MatNavi”的同时，整合有偿使用信息系统，构筑“信息集成型物质材料研究”的核心数据库。其次，将各个研究所积累或新采集的材料数据高效地导入数据库，实现服务于材料研发需求的数据收集、管理和使用一体化平台化解决方案。在此基础上，开展系列“种子科学研究”，用数据科学手法发掘材料形成过程、结构、特性、效能等方面的相关关系，开发能够预测材料特性的新型材料设计方案。同时，将已有的物理、化学、材料学等各学科的相关理论和实验数据融入信息科学、数据科学，研发针对材料学的信息处理方法，加速新材料的研发。

此外，该计划广泛重视产学研联合，向产业界和社会广泛征集课题，网罗材料、信息、数据三大领域的顶尖专家，组成“信息集成型材料科技”的技术和人才架构，并确立新型研究方法的标准体系，以“蓄电池材料”“磁性材料”“导热控制材料”三大方向为课题目标，通过导入人工智能等最新信息技术，构建更高效的材料数据平台，进一步扩展材料研究的组合可能，实现以信息集成引导新材料探索的新型材料研发体系。具体可归纳为如图1所示。

2.2 研究方法

相对于传统材料科学中研究给定材料性能的“顺向思维”模式，信息集成型物质材料研发计划注重从需求定义出发，采用“逆向思维”模式，针对希望获得的材料性能，寻找满足相应条件的材料及物质元素组合（如图2所示）。而这一思维模式转变的实现，离不开人工智能及大数据分析等尖端信息技术的介入。

MI²I的主要实施单位——物质和材料研究机构作为日本材料科学的主要科研单位，拥有众多世界顶级的科研平台，其在材料领域拥有大量实验数据，但很多因为无法实现成果转化而没能得到应用。近年来，日本超级计算机“京”等的快速发展，以及基于机器学习和深度学习的人工智能的广泛应用，为庞大数据群的分类解析提供了技术支撑，也为导入以往未能广泛应用的大量实验数据、打造更多元化的高效数据资源库提供了平台拓展。

然而，单纯的机器学习得到的相关关系仅能表示描述变量和材料性能之间的关系，无法建立物质维度与性能维度的直接联系，因此该计划的实施还必须依赖于精通材料科学的实验研究员和精通数理分析的计算机学者的相互合作，只有建立描述变量维度、物质维度、性能维度等多重相关的高度集成数据资源平台，才能实现更精准、更高效的新材料研发，解决社会及产业发展的重要课题。

2.3 组织架构

为推进信息集成型物质材料研发计划的实施，日本MI²I采用了由物质和材料研究所、日本科学技术振兴机构及各大学及科研机构联合参与的组织架构，具体如图3所示。该组织由物质和材料研究所理事长作为总负责人，物质和材料研究所另派一名理事在理事长领导下分管相关工作。同时，成立MI²I项目会议，由物质和材料研究所以及日本科学技术振兴机构共同派人组建，负责对项目的具体运营的评审及管理。针对3个主要研究方向，项目会议下设具体科研课题组，由东京大学、大阪大学、东北大学等学校与产业技术综合研究所（AIST）、统计数理研究所等科研机构共同参与。同时，为进一步扩大产学研各界的参与和合作，在核心课题组之外，MI²I又设立了联盟，以会员加入的形式，向会员开放数据平台的使用，广泛吸纳企业及大学科研人员参与。

该组织架构的设计主要有三重考虑：第一，充分保障计划实施主体物质和材料研究所的核心地位。物质和材料研究所理事长是总负责人，分管理事负责具体工作，且中心主任、副主任等主要管理职务均由物质和材料研究所人员担任。第二，日本科学技术振兴机构对项目运行进行监督并对科研成果进行管理。日本科学技术振兴机构作为该计划发起主体，虽以委托形式将具体科研任务交由物质和材料研究所进行实施，但其在项目评审会中直接担任项目经理人，此外还负责运营材料科学最核心内容的数据库。第三，充分发挥产学研各界学科带头能力。针对蓄电池、磁性、热导材料等不同课题的研究，MI²I从各大学及科研机构广泛聘请行业专家作为课题组长，同时设立联盟（Consortium）机制，促进会员单位平台数据共享，共同参与项目研发。

2.4 推进体系

日本MI²I设立了以“蓄电池材料”“磁性材料”“热电材料”为核心的三大导向课题，为推进这三大课题研究，MI²I制定了三层推进体系。

第一层是整合产业界和学术界在材料科学领域的庞大数据群，形成国家拥有知识产权的新数据共享平台，以此作为信息集成型物质材料研发计划研发新材料的底层基础支撑。第二层是将人工智能、大数据分析等前沿信息技术用于材料领域，研发能够针对不同物质、元素提取描述性变量，分析晶体构造、材料性能，并能设计符合需求的材料最佳构成配比的最新开发工具，实现信息科学与材料科学的融合。此层是该计划现阶段的主要发力点。第三层是形成系统化的技术解决方案，在重点课题的研究领域形成突破，实现按需求定义新材料的研发，缩短新材料开发周期，实现材料科学的创新发展。

同时，为了广泛吸纳产学各界的力量形成合力，该计划在推进时鼓励大学、企业及其他科研机构积极参与，它们既可以作为需求的提供方提出问题供各方共同研究，也可以作为技术的提供方提出解决方案与各方开展联合研究，共享科研成果。其推进体系可用图4来概括。

2.5 联盟制度

日本MI²I在推进产学研各界联合参与的实施计划中，设计了联盟制度。参与计划的各大机构或科研人员可以以法人或个人名义加入联盟，共享MI2I数据库。

2.5.1 联盟组成

该联盟是日本MI²I的重要组成部分之一，联盟由物质和材料研究所牵头成立，该机构集成型物质材料研发信息基础部部长作为联盟总负责人，再由物质和材料研究所派出若干机构职员作为联盟组织管理部门，负责联盟的运营和会员的管理。

联盟会员分为法人会员和学术会员两类。法人会员面向企业、大学、研发机构等法人组织，以法人名义加入；学术会员面向个人，隶属各大学或科研机构的个人可以以个人名义申请成为学术会员加入。申请者需在信息技术、数据分析、材料科学领域有明确专业背景，能够证明可对MI²I计划的目标达成作出贡献，在提出申请的基础上经联盟总负责人审核通过才能加入。

目前，该联盟拥有法人会员82家，学术会员11名，涵盖东京大学、京都大学、东北大学、大阪大学、名古屋大学、名古屋工业大学、东京工业大学、北海道大学、北陆先端技术大学及产业综合研究所、统计数理研究所等众多著名高校和科研机构。

2.5.2 会员权利义务

联盟会员不收取任何会费，可以共同参与MI²I的研发课题，共享MI²I构筑的数据平台（包括MatNavi的实验数据和新研发的解析工具），加入该计划形成的全球性专家网络，共同开展研究，共享最新科研成果。

同时，联盟会员也有定期报告研究成果的义务，要求会员必须在联盟内部公开所取得的研究成果，并不得将成果泄露至除联盟会员外的任何第三方。

2.5.3 知识产权管理

对于联盟会员在联盟内开展研究所取得成果的知识产权问题，联盟规定知识产权权益属于发明人或发明人所在机构，由权益人负责相关知识产权的申报和后续维护工作。

以上内容均在会员加入时以协议形式明确，并具有相应的法律效应，形成了对加盟者权益的保护和会员间、会员与联盟间争议的约束机制，有利于日本在更广泛的层面推行MI²I信息集成型物质材料研发计划。

转自丨科情智库

作者丨徐斌