ブラックボックスなAIを”説明可能”に:アニオン交換膜の分子設計指針を抽出 ~説明可能AI・ChatGPT・専門家の協働により、材料開発の試行錯誤を削減~

2026-05-11 九州大学

九州大学の研究チームは、説明可能AI(XAI)、ChatGPT、専門家知識を組み合わせ、アニオン交換膜(AEM)の分子設計指針を抽出する新たな材料開発フレームワークを開発した。AEMは燃料電池や水電解装置の中核材料だが、従来の設計は経験則への依存が大きかった。一方、人工ニューラルネットワーク(ANN)は高精度予測が可能でも判断根拠が不明瞭な「ブラックボックス」であり、設計への活用が難しかった。研究では、346種のAEMポリマー実験データベースを構築し、高次元分子記述子に対して説明可能AIを適用する独自の次元削減手法を開発した。さらに、SHAP解析結果をChatGPTと専門家が協働解釈するHuman-in-the-loop方式により、ビフェニル骨格の有効性や側鎖長8結合距離の重要性など、実用的な分子設計指針を抽出した。成果は、材料開発の試行錯誤削減と高効率化に貢献すると期待される。

ブラックボックスなAIを”説明可能”に:アニオン交換膜の分子設計指針を抽出 ~説明可能AI・ChatGPT・専門家の協働により、材料開発の試行錯誤を削減~
AEM化学構造を分子記述子に変換し、ANNで物性を予測。SHAPで重要記述子を特定、ChatGPTと専門家の協働によりANN予測論理を解析。

<関連情報>

説明可能なAI、ChatGPT、および人間の専門知識を統合する:ポリマー設計ガイドラインを抽出するためのフレームワーク Orchestrating explainable AI, ChatGPT, and human expertise: a framework for extracting polymer design guidelines

Yin Kan Phua,Nana Terasoba,Manabu Tanaka,Tsuyohiko Fujigaya and Koichiro Kato
Journal of Materials Chemistry A  Published:14 Apr 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/D5TA06120B

Abstract

To accelerate the rational design of high-performance functional polymers, such as anion exchange membranes (AEMs), the establishment of chemically meaningful and actionable design guidelines is essential. Machine learning (ML) models, particularly artificial neural networks (ANNs), offer high predictive accuracy for such materials but suffer from limited interpretability due to their black-box nature. Although explainable artificial intelligence (XAI) methods such as SHapley Additive exPlanations (SHAP) provide a unified framework for model explanation, their application to ANN models is hindered by the expensive computation cost associated with the high dimensionality of molecular descriptors commonly used to represent polymer structures. In this study, a framework that combines statistical (minimum redundancy maximum relevance) and explainable ANN-based (permutation importance via ELI5) feature selection was developed, reducing the input space to 67 key descriptors. This dimensionality reduction enabled computationally feasible SHAP analysis while enhancing the predictive accuracy of the ANN by 40.87%. However, the resulting key descriptors were often difficult to interpret in physicochemical terms. To address this, large language models (LLMs) such as ChatGPT were employed to analyze descriptor source code and assist human experts in deriving chemically intuitive insights. By orchestrating XAI, LLM assistance, and expert knowledge, the framework successfully extracted design guidelines for AEMs. Based on these insights, two candidate AEM polymers with predicted anion conductivities ≥0.1 S cm−1 at 80 °C were proposed, exceeding typical commercialization thresholds. This study illustrates a generalizable, explainable, and efficient pathway for integrating ML, XAI, and LLMs in polymer informatics, with broad applicability across descriptor-based materials research.

1603情報システム・データ工学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました