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

20066[b]Фотосинтез в глазах мышей: возможно ли это без превращения в растение?[/b] 20065[b]СПКЯ стало СПМЯ: почему переименование болезни, затрагивающей миллионы женщин, заняло... 20064[b]Почему великая пирамида Гизы пережила все землетрясения за 4500 лет[/b] 20063[b]Генетика Homo erectus: что зубная эмаль рассказала о наших предках[/b] 20062[b]Кости в бухте эребус: что кости моряков Франклина рассказывают спустя полтора века[/b] 20061[b]Крупнейший плавучий ветрогенератор в мире: Китай испытывает установку у берегов... 20060[b]Карие глаза младенца стали индиго после лечения от COVID-19[/b] 20058[b]Почему серебряная чаша с Афиной пролежала в немецком лесу две тысячи лет?[/b] 20057[b]Дыра в атмосфере солнца: вспышка достигла пика и может зажечь полярное сияние[/b] 20056[b]Динго возрастом 950 лет: кто и зачем кормил могилу животного сотни лет?[/b] 20055[b]Томоэ гозэн: женщина-самурай, которая существовала на самом деле[/b] 20054[b]Что видели астронавты «Аполлона-12» над лунным горизонтом?[/b] 20053[b]Восковой блокнот на латыни и шёлковая туалетная бумага: кто посещал средневековый... 20052[b]Хантавирус на борту: 41 человек под наблюдением после рейса MV Hondius[/b]
Ссылка