偶然も計画できる時代へ―触媒探索を効率化する新規AI技術を開発

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2025-05-26 北陸先端科学技術大学院大学,北海道大学

2025年5月26日、北陸先端科学技術大学院大学(JAIST)と北海道大学の研究チームは、触媒探索を効率化する新たなAI技術を開発しました。この技術は、既存知識の活用、未知領域の探索、予期せぬ発見(セレンディピティ)の3要素を調和させた革新的な探索手法です。具体的には、触媒性能予測における確信度と不確実性を定量化し、さらにモデルの予測から大きく乖離した高性能触媒候補を特定する機能を備えています。このAI技術をメタン酸化カップリング反応の触媒探索に適用し、36,540通りの高次組成空間から、わずか260回の実験で未報告の高性能触媒90件を短期間に発見しました。本研究成果は、2025年5月8日に米国の科学誌「ACS Catalysis」にオンライン掲載されました。

偶然も計画できる時代へ―触媒探索を効率化する新規AI技術を開発
図1 本研究のイメージ。ハイスループット実験データを基に学習したAIによって探索・活用・予期せぬ発見をバランスした触媒推薦を行います。推薦された触媒はハイスループット実験によって評価されるという再帰的なループによって、AIは高性能触媒の推薦効率を上げていきます。

<関連情報>

探索・活用・予期せぬ発見を統合した触媒発見のためのデータ科学的アプローチ A Data-Science Approach to Experimental Catalyst Discovery: Integrating Exploration, Exploitation, and Serendipity

Sunao Nakanowatari,Keisuke Takahashi,Hieu Chi Dam,Toshiaki Taniike
ACS Catalysis  Published: May 8, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acscatal.5c00100

Abstract

Predicting the performance of heterogeneous catalysts is difficult because it involves complex interactions and unknown elementary reactions; hence, traditional catalyst development relies on trial and error. Machine learning offers a structured approach to address these issues. However, this approach is limited by challenges such as descriptor design, sparse data, and context-dependent interactions. In this study, two machine learning systems were developed to address these challenges in catalyst discovery: a recommender system that balances exploration and exploitation, and a serendipiter that identifies unexpected discoveries for the recommender─catalysts expected to exhibit high performance despite being predicted as most likely non-high-performing. These systems were tested on the oxidative coupling of methane, and the results demonstrated a promising improvement in the efficiency of catalyst discovery. The recommender, based on evidence theory, uses binary combinations of catalyst components as descriptors to predict performance. It handles incomplete data by quantifying contradictions and uncertainty, facilitating a balance between exploration (testing unevidenced catalysts) and exploitation (refining known high-performing ones). The recommender efficiently identified a diverse range of high-performing catalysts through adaptive sampling with 160 catalysts. The serendipiter, a meta-learner, identifies unexpected high-performing catalysts by leveraging different machine learning models. It increased the occurrence of serendipitous discoveries to 50%, compared to 3% with the recommender alone. In summary, these systems improve the efficiency and reproducibility of catalyst discovery by balancing exploitation, exploration, and serendipity.

0500化学一般
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