言語モデルを用いた材料物性の予測を軽量化 -材料情報の文章入力が可能で、汎用的なPCでも物性予測を可能に-

2026-11-11 東京科学大学

東京科学大学などの研究グループは、大規模言語モデル(LLM)を再学習することなく、材料の物性を高精度に予測できる軽量な機械学習手法「ZEBRA-Prop」を開発した。従来のLLMを用いた材料物性予測では、予測対象の物性ごとにモデル全体をファインチューニングする必要があり、高性能なGPUや大きな計算資源が求められていた。今回、材料情報を複数の短い文章で表現し、材料科学に特化したLLMで埋め込みベクトルに変換した後、小規模なニューラルネットワークのみを学習する方式を採用した。その結果、約2,200件の材料データを用いた評価で、従来のLLMベースの手法と比較して学習時間を約95%短縮し、一般的なPCでも実行できることを実証した。バンドギャップ、形成エネルギー、誘電率の予測で従来手法に近い精度を達成した。本手法は、材料の組成や構造だけでなく、合成条件や実験記録などの文章情報も活用できるため、機械学習による新材料探索の普及と開発の効率化に貢献すると期待される。

言語モデルを用いた材料物性の予測を軽量化 -材料情報の文章入力が可能で、汎用的なPCでも物性予測を可能に-
図1. ZEBRA-Propの学習過程の概略図。点線内が予測モデルであり、あらかじめ物性値が既知である大量のデータを学習することで構築される。従来手法(上)はLLMを含む全体を学習するが、本手法(下)は後段の小規模なニューラルネットワークだけを学習するため、学習が格段に高速化されている。ここではバンドギャップを対象物性とし、BaTiO3(チタン酸バリウム)の高温相を例として示している。

<関連情報>

ZEBRA-Prop:ゼロショット埋め込みに基づく、高速で使いやすい材料物性回帰モデル ZEBRA-Prop: A Zero-Shot Embedding-Based Rapid and Accessible Regression Model for Materials Properties

Ryoma Yamamoto, Akira Takahashi, Kei Terayama, Yu Kumagai, Fumiyasu Oba
Advanced Intelligent Systems  Published: 10 November 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/aisy.70592

Abstract

Large language models (LLMs) exhibit substantial potential across diverse scientific disciplines, including materials science. A property prediction framework, ZEBRA-Prop (Zero-Shot Embedding-Based Rapid and Accessible Regression Model for Materials Properties), is presented here as an extension of LLM-Prop. In contrast to LLM-Prop, which requires task-specific fine-tuning of the LLM, ZEBRA-Prop keeps the text encoder frozen and eliminates task-specific fine-tuning of the LLM, thereby reducing computational cost and enabling rapid model training. The framework employs MatBERT, a language model pretrained on materials science literature, to enhance predictive capability. Multiple textual embeddings are incorporated through a learnable weighting mechanism, which alleviates the context-length constraints inherent in LLM-Prop and facilitates effective integration of diverse textual representations. Evaluation is conducted using two datasets: the TextEdge dataset (~140,000 entries) and an in-house dataset (~2000 entries) derived from the Materials Project database, with physical properties obtained from first-principles calculations. The predictive performance of ZEBRA-Prop is close to that of LLM-Prop, while the training time is reduced by approximately 95%. The performance improvements are attributable to three principal factors: domain-specific LLM utilization, diversified textual descriptions, and systematic text preprocessing. ZEBRA-Prop is a scalable, computationally efficient framework that supports accelerated materials discovery, particularly under limited computational resources.

1603情報システム・データ工学
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