Как искусственный интеллект меняет молекулярный дизайн с помощью оценки неопределённости?

Исследователи из Национального Тайваньского университета продемонстрировали, что включение оценки неопределённости (Uncertainty Quantification, UQ) в графовые нейронные сети (Graph Neural Networks, GNN) значительно повышает эффективность и устойчивость оптимизации молекул. Их работа опубликована в журнале Nature Communications.
Как искусственный интеллект меняет молекулярный дизайн с помощью оценки неопределённости?
Изображение носит иллюстративный характер

Ключевой задачей исследования стало интегрирование моделей, учитывающих неопределённость, в процессы компьютерного молекулярного дизайна (CAMD), чтобы улучшить принятие решений при поиске новых материалов и лекарственных средств. Учёные систематически проверили, способны ли усовершенствованные с помощью UQ нейронные сети направленного обмена сообщениями (Directed Message Passing Neural Networks, D-MPNNs) эффективно управлять оптимизацией в открытых и обширных химических пространствах.

Типичные алгоритмы машинного обучения плохо справляются с предсказаниями для молекул, которые не встречались в обучающих выборках, что особенно критично для реальных задач, где химическое пространство практически безгранично и мало изучено. Для преодоления этой проблемы исследователи объединили D-MPNN с генетическими алгоритмами, что позволяет проводить гибкую оптимизацию молекул без необходимости ограничиваться заранее заданными библиотеками соединений.

В ходе работы были протестированы различные стратегии оптимизации, учитывающие неопределённость, на 16 разнообразных задачах. Эти задачи взяты с платформ Tartarus и GuacaMol, отражающих актуальные вызовы в области органической электроники, реакционной инженерии и разработки лекарств. Особое внимание уделялось многоцелевым сценариям, где необходимо одновременно балансировать между конкурирующими молекулярными свойствами.

Среди всех протестированных подходов наилучшие результаты показал метод Probabilistic Improvement Optimization (PIO). Этот метод использует количественную оценку неопределённости для оценки вероятности того, что кандидаты отвечают заданным критериям дизайна. PIO позволяет избегать ненадёжных экстраполяций и направлять поиск в области, наиболее перспективные с химической точки зрения.

Профессор И-Пей Ли, ведущий автор работы, отмечает: «Химический дизайн часто требует поиска баланса между множеством конкурирующих целей в огромных и неопределённых пространствах поиска. Интеграция оценки неопределённости в оптимизацию, управляемую машинным обучением, даёт нам фундаментальный способ ориентироваться в этой сложности и повышает надёжность предлагаемых искусственным интеллектом решений».

Результаты исследования формируют прочную основу для внедрения методов молекулярного поиска, способных учитывать неопределённость. Это открывает путь к более надёжным и эффективным системам искусственного интеллекта для задач химии и материаловедения.

В работе использовались современные методы: оценка неопределённости, графовые нейронные сети, D-MPNN, генетические алгоритмы и стратегия PIO. Эксперименты охватили 16 задач с платформ Tartarus и GuacaMol, с акцентом на реальные приложения в электронике, инженерии и фармацевтике.


Новое на сайте

19817В Луксоре нашли стелу с римским императором в образе фараона 19816Экипаж Artemis II о моменте, когда земля исчезла за луной 19815Почему луна выглядит по-разному в разных точках земли? 19814Adobe экстренно закрыла опасную дыру в Acrobat Reader, которую хакеры использовали с... 19813Метеорный поток, рождённый из умирающего астероида 19812Когда робот пишет за тебя прощальную смс 19811Что общего у лунной миссии, толстого попугая, загадочной плащаницы и лекарства от диабета? 19810Какие снимки Artemis II уже стали иконами лунной программы? 19809Кто на самом деле хочет сладкого — вы или ваши бактерии? 19808Как рекламные данные 500 миллионов телефонов оказались в руках спецслужб? 19807Экипаж Artemis II вернулся на землю после десяти дней в космосе 19806Зелёная и коричневая луна: почему геологи Artemis II уже не могут усидеть на месте 19805Эксперты уверены в теплозащитном щите Artemis II, несмотря на проблемы предшественника 19804Выжить внутри торнадо: каково это — когда тебя засасывает в воронку 19803Аляскинские косатки-охотники на млекопитающих замечены у берегов Сиэтла
Ссылка