La nuova era di cose nuove
L’intelligenza artificiale sta rivoluzionando la scoperta di nuovi materiali
Wakanda – in Black Panther – è costruito su una montagna di un minerale raro chiamato Vibranio. Questo materiale ha l’insolita proprietà di poter immagazzinare e rilasciare energia cinetica. Quindi potresti conficcare un martello in una tuta di vibranio, solo per farti colpire più tardi con tutta quella forza.
Cosa hanno in comune questi film?
Black Panther è solo una delle tante fantasie che presentano un materiale apparentemente straordinario.
Il martello di Thor è costruito da un metallo spaziale chiamato Uru, mentre il destino di Superman (così come molte delle trame della DC Comics) è dettato da un minerale chiamato Kryptonite.
E infine, perché tutti gli umani e Sigourney Weaver sono andati su Pandora in Avatar ?
Perché Pandora è ricca di un minerale chiamato Unobtainium, l’unico superconduttore a temperatura ambiente conosciuto dall’uomo.
I superconduttori sono materiali in grado di trattenere una corrente senza perderne nulla. Quindi potresti aumentare enormemente la quantità di elettricità che raggiunge New York City dalle cascate del Niagara semplicemente usando fili superconduttori. Hanno anche l’insolita proprietà di poter levitare sui campi magnetici. Questo è ciò che mantiene le montagne Alleluia di Pandora fluttuanti nel cielo.
Questi mondi sono immaginari, così come i materiali che li alimentano. Ma sottolineano un’idea che non sembriamo apprezzare abbastanza.
Un solo materiale può cambiare il mondo.
In realtà, questo è già successo nel nostro mondo. Molte volte.
Civiltà dall’occhio dei materiali
Mentre il Medio Regno egiziano stava volgendo al termine, un nuovo metallo stava iniziando a rimodellare la nostra civiltà.
È stato più difficile di qualsiasi cosa avessimo mai visto prima. Ha arato il terreno duro meglio del rame. Potrebbe tagliare l’albero più grosso. Potrebbe persino rompere le rocce!
Quel materiale era il ferro.
L’età del ferro ha letteralmente cambiato la faccia della terra. Le civiltà agricole fiorirono con cibo e bestiame abbondanti. Più terra fu coltivata e la popolazione umana aumentò. Nuove nazioni furono scolpite con affilate spade e coltelli di ferro. Da qualche parte, qualcuno ha fatto le prime pentole, piatti e mestoli di ferro.
La nostra storia è classificata in base al materiale dominante in uso all’epoca
Poi, nel XV secolo, arrivò un altro materiale. Questo era morbido e tenero, come un’alga insolitamente secca. Cambierebbe il mondo in modi meno viscerali ma molto più profondi del ferro.
Quel materiale era carta.
La carta avrebbe rimodellato la nostra cultura proprio come il ferro aveva rimodellato la nostra terra.
Non avevamo più bisogno di tavolette di argilla per esprimere le nostre idee e numeri, né dovevamo tagliarle in pareti rocciose. Potresti scrivere qualcosa su un pezzo di carta e portarlo in tasca: un’idea impensabile, molto più rivoluzionaria dell’iPod.
La scrittura e la lettura sono passate dall’essere un’abilità esoterica riservata ai sacerdoti e alla classe erudita a un mezzo di comunicazione accessibile alle masse.
Le idee potrebbero viaggiare non solo nello spazio ma anche nel tempo. Attraverso la carta, gli europei potevano leggere i greci e i romani, che allora erano lontani da tempo.
La carta è diventata un modo per le persone di deridere i loro governanti e per gli scienziati di pubblicare le loro equazioni. Sono nati i primi meme virali, quindi è stato probabilmente il primo porno popolare. Proprio come con i social media di oggi, è emersa una nuova ondata di influencer: all’epoca erano semplicemente chiamati “filosofi”.
La religione è stata resa popolare e contestata allo stesso tempo. Idee che in precedenza sembravano impossibili – come come i poveri, le donne e le persone di colore potessero essere anche umani – iniziarono a essere discusse e dibattute.
Sia il ferro che la carta sono così onnipresenti nelle nostre vite che non proviamo più alcun senso di “soggezione” per loro.
È molto più facile, tuttavia, essere intimoriti dal silicio, il materiale di cui abbiamo la fortuna di abitare nell’epoca rivoluzionaria.
Il silicio inizia come sabbia e si trasforma in un microchip, una trasformazione che si basa su ogni singolo progresso tecnologico che abbiamo fatto fino ad ora.
Un microchip di silicio. Foto di Brian Kostiuk su Unsplash
Un tipico microchip ha le dimensioni di un’unghia e contiene miliardi di minuscoli dispositivi chiamati transistor che vengono intagliati in fabbriche specializzate chiamate “fabs”. Una fabbrica di medie dimensioni che produce 50.000 dischi di silicio al mese consuma 1 TWh di elettricità all’anno , che è all’incirca il consumo energetico annuo di una città di 100.000 persone. Questa struttura consuma anche 19 milioni di litri di acqua al giorno, che è il consumo annuo di una città di 60.000!
L’industria dei semiconduttori si affretterà a dirvi che gran parte di quest’acqua viene riciclata e che la maggior parte di questa elettricità è prodotta da fonti rinnovabili.
Ti diranno anche che è il prezzo che paghiamo per creare un ordine senza precedenti da un granello di sabbia. Questo a sua volta rende possibili tutti i comfort della vita quotidiana: rasoi elettrici, orologi, forni a microonde, automobili, aerei, computer e tutto il resto che esegue un calcolo.
Abilitatori non driver
Il lettore attento farebbe notare che la vera rivoluzione è il microchip, non il silicio.
Un pezzo di silicio puro al 99,9999% non serve a nessuno. Ci vuole l’intero macchinario per la produzione di semiconduttori dietro di esso per trasformarlo in qualcosa di utile.
Tale argomento si applica ugualmente bene sia al ferro che alla carta.
Dopotutto, sono i libri che hanno rivoluzionato la nostra cultura, non la carta. Sono gli aratri, le spade e le asce di ferro che hanno determinato l’età del ferro, non il ferro stesso.
E questo è un argomento valido. Nessuno dei materiali rivoluzionari in uso oggi – plastica come nylon, teflon, poliestere o poliuretano, metalli come acciaio inossidabile, alluminio o titanio, o nessuna delle ceramiche avanzate – è utile da solo.
Devono essere integrati in un dispositivo che possa sfruttare la loro potenza e vitalità in qualcosa di utile per noi.
L’unica eccezione a questa regola potrebbe essere rappresentata da farmaci come antibiotici o antidolorifici. Sono utili in sé e per sé — e sono anche un “materiale” nel senso più stretto del termine.
Ma per la maggior parte, i materiali sono ‘abilitatori’ di rivoluzioni tecnologiche, non i driver.
Una ceramica superconduttiva di granato di ittrio levita su un magnete
Prendete una qualsiasi delle principali conquiste ingegneristiche del secolo scorso – treni, aerei, elettricità, impianti idraulici interni, refrigerazione, computer, dispositivi di comunicazione wireless, abbigliamento a buon mercato – hanno tutti un materiale al centro e al centro.
I treni non sarebbero stati possibili senza il ferro (utilizzato sia nel motore che nella carrozzeria), gli aerei non sarebbero stati possibili senza le leghe di alluminio leggere come il duralluminio, l’impianto idraulico è stato reso possibile dalla plastica come il PVC, l’elettricità dal rame e dai magneti, i computer e dispositivi wireless da una serie di elementi (guidati da semiconduttori come silicio e germanio).
Ancora oggi esistono poche alternative per realizzare queste macchine. I treni non possono essere fatti di carta o legno. Gli aerei non possono essere fatti di ferro o cotti con argilla.
Queste tecnologie hanno anche bisogno di una serie di occhiali, che sono avanzati allo stesso modo dall’essere un ornamento in una chiesa a una parte indispensabile della vita moderna.
Occhiali, metalli, ceramica, plastica e microchip sono ovunque intorno a noi. È a casa tua in questo momento. Probabilmente ne stai indossando un po’.
In una giornata tipo, usiamo almeno sessanta elementi della tavola periodica (da circa 120 noti), la maggior parte dei quali nei nostri telefoni. Fino a duecento anni fa, anche le persone più intelligenti non potevano nominare più di cinquanta elementi e difficilmente ne usavano venti nella loro vita quotidiana.
La nostra vita è fatta di materiali e di materiali.
Danno forma alle nostre scelte, al nostro senso dell’ambiente circostante e pongono limiti a ciò che possiamo fare con il nostro tempo e la nostra energia.
La povertà della scelta
Se è così, dovremmo investire molto del nostro tempo e delle nostre energie nella scoperta di nuovi materiali.
I nostri discorsi pubblici dovrebbero includere dibattiti su quali materiali potrebbero rivoluzionare l’edilizia domestica o quale metallo potrebbe potenzialmente sostituire l’acciaio nelle costruzioni, proprio come discutiamo del metodo più praticabile per l’assistenza sanitaria universale o la sicurezza pubblica.
Avrebbe dovuto esserci un Ministero dei Materiali che si occupa esclusivamente dello sviluppo della scienza dei materiali e dispensa finanziamenti multimiliardari a università e industrie.
Per lo meno, nuovi materiali dovrebbero apparire ogni tanto, con la frequenza di nuove criptovalute o startup della Silicon Valley.
Al contrario, lo sviluppo dei materiali è un processo lento e dispendioso in termini di tempo.
Prendiamo l’esempio del nylon, un polimero morbido e setoso che ha rivoluzionato le calze da donna negli anni ’40.
Ci sono voluti dai 12 ai 15 anni dalla ricerca iniziale di Dupont alla commercializzazione finale del nylon . È un tempo molto lungo prima che qualcosa venga cucinato in un laboratorio di ricerca.
L’inizio del ritardo nella commercializzazione è molto più lungo per altri materiali , come puoi vedere dall’immagine qui sotto. Le batterie agli ioni di litio sono iniziate a metà degli anni ’70 e hanno trovato ampia accettazione nei nostri laptop solo negli anni ’90. Sono circa 20 anni di sviluppo.
La cronologia di ricerca e sviluppo per materiali commerciali selezionati. Da Advanced Materials Systems Chemistry and Advanced Materials, World Economic Forum, marzo 2016
L’intervallo di tempo medio per lo sviluppo dei materiali è di circa 20-30 anni, un lungo lasso di tempo da dedicare a un progetto, che potrebbe non avere successo, per quanto ne sai.
È troppo rischioso per una piccola start-up o un’azienda di medie dimensioni. Gli stipendi devono essere pagati e i profitti devono essere realizzati in attesa che gli scienziati escogitino qualcosa di nuovo.
Ciò significa che solo qualcuno con tasche profonde – un’università di ricerca, il governo, l’esercito o una grande società – può investire nella ricerca sui materiali.
Significa anche che qualcuno che lavora allo sviluppo di un nuovo materiale vorrà ridurre al minimo il rischio di fallimento.
Quindi è più facile studiare come rendere l’alluminio più forte aggiungendo magnesio (qualcosa che già funziona) piuttosto che esplorare un nuovo nanomateriale per assorbire il sale dall’acqua usando la luce (cosa mai fatta prima).
La sfida di ‘progettare’ nuovi materiali
La ricerca scientifica, quindi, tende a raggrupparsi attorno ad alcuni materiali con proprietà note modificandone la chimica attraverso l’aggiunta o la sottrazione di altri materiali.
Oggi abbiamo una conoscenza molto profonda dell’acciaio, che è ferro mescolato con circa l’1-2% di carbonio. Una miriade di altri metalli – nichel, vanadio, manganese, azoto, alluminio, silicio, zolfo, titanio, rame, selenio, niobio e molibdeno – sono stati aggiunti in tutte le possibili combinazioni per creare una miriade di acciai.
Questo è un problema “più sicuro”. Sappiamo che l’acciaio ‘funziona’ ed è sempre utile sapere come potrebbe essere migliorato.
Tuttavia, trovare una nuova lega che abbia tutte le proprietà dell’acciaio (alta resistenza, economica, non arrugginisce) ma pesa solo la metà, è un problema difficile. E quindi non è esplorato quanto dovrebbe essere, anche se i rendimenti sono più alti.
Gran parte del problema è che nessuno sa dove cercare una lega del genere. Ci sono almeno 80 metalli nella tavola periodica. Una lega può essere formata da qualsiasi combinazione di questi metalli con una spruzzata di altri elementi come carbonio, ossigeno, azoto, zolfo, fosforo, ecc.
La tavola periodica è l’elenco di tutti i 120 elementi che conosciamo.
È un numero enorme di materiali da realizzare e testare. Con questo intendo più combinazioni di quante stelle ci siano nell’Universo!
Questo è generalmente vero per tutti i tipi di ricerca sui materiali. Non puoi semplicemente creare ogni singolo materiale e scoprire a cosa servono. Anche realizzare un singolo materiale in laboratorio, che si tratti di un polimero, un metallo, una ceramica o un composito, richiede un po’ di formazione, attrezzature, tempo, fatica e denaro.
Di conseguenza, è molto più facile per uno scienziato prendere un materiale noto e cambiare sistematicamente uno o due dei suoi elementi .
Questo problema è difficile anche per i computer.
Abbiamo una comprensione abbastanza decente della meccanica quantistica e di come gli atomi si uniscono per creare praticamente tutto. E’ possibile sommare teoricamente tra loro atomi di vari elementi e studiare l’evoluzione dell’ ‘ equazione di Schrodinger ‘ del sistema.
Questo può dirci molto sul materiale: se è conduttore o isolante di elettricità, se è forte, debole o pieghevole, se si scioglierà a una temperatura molto elevata, ecc.
Tuttavia, risolvere l’equazione di Schrodinger richiede tempo, anche per i computer. Qualsiasi pezzo realistico di materiale contiene trilioni di trilioni di atomi. Anche quei supercomputer che occupano un intero seminterrato impiegheranno miliardi di anni per risolvere completamente questo problema.
Così il gioco è fatto. I materiali sono fantastici e ce ne sono sicuramente di rivoluzionari che non sono mai stati scoperti. Ma non sappiamo da dove iniziare la nostra ricerca, è impossibile produrre e testare tutti i materiali e nemmeno i supercomputer possono aiutarci.
Ora sappiamo perché Unobtainium è così irraggiungibile.
L’ascesa di un materiale AI
Molte persone, me compreso, credono che l’intelligenza artificiale possa essere una soluzione praticabile a questo problema.
L’intelligenza artificiale ha innescato progressi rivoluzionari in una serie di problemi considerati difficili.
Le auto a guida autonoma sono un ottimo esempio. In genere è stato difficile addestrare i computer a guidare le auto in un ambiente con altre auto, semafori, corsie, svolte, ponti, marciapiedi e persone.
Potremmo scrivere una regola per un’auto davanti a noi, un’altra per una dietro di noi, un’altra ancora per le strisce pedonali. Ma come sappiamo dalla vita reale, nessuna regola è perfetta. Un pedone potrebbe decidere di attraversare la strada dove non ci sono strisce pedonali. Un’auto potrebbe tagliarti fuori dalla parte sbagliata. Il tuo pneumatico potrebbe correre su un chiodo mentre attraversa una rotonda. Non puoi scrivere una regola per tutto.
Invece, lasciamo che un computer guardi un guidatore umano per ore e ore mentre guida una vera macchina nello spazio reale. Grazie ad alcune tecniche come il Deep Learning , il computer sviluppa la comprensione di cosa fare in viaggio e cosa non fare. Raccoglierà tutte le convenzioni e le regole della navigazione in autoveicolo, solo dall’osservazione.
Il computer si comporta come la maggior parte degli esseri umani, in quanto “impara” mediante l’osservazione e la partecipazione, piuttosto che leggendo un libro. Ecco perché queste tecniche sono chiamate ‘Intelligenza Artificiale ‘.
La grande scommessa è che se i computer possono imparare a guidare un’auto e creare immagini fotorealistiche di persone non ancora nate, possono anche imparare a progettare, prevedere e fabbricare nuovi materiali .
In un tipico flusso di lavoro, gli scienziati stilano un elenco di materiali che hanno proprietà note, ad esempio conduttori di elettricità buoni o cattivi. Compilano tutte le proprietà che conoscono su ciascun materiale in un database. Un’intelligenza artificiale esamina attentamente questi dati e apprende quale di queste proprietà (da sole o in combinazione con altre) prevede in modo più accurato la qualità del materiale che è un conduttore di elettricità.
L’intelligenza artificiale non sta risolvendo un’equazione, non sta calcolando i parametri della meccanica quantistica e poi sgranocchiando i numeri. Invece, sta cercando modelli che potremmo aver perso nella nostra analisi del problema .
Uno dei primi lavori della Duke University ha esaminato quali materiali potrebbero essere potenziali superconduttori in base al modo in cui gli elettroni sono stati distribuiti attorno alle molecole. Molti dei materiali identificati come superconduttori dal programma erano infatti noti superconduttori.
Potrebbe quindi indicare materiali che potrebbero essere potenzialmente superconduttori ma non sono mai stati testati.
Lo spazio previsto degli ossidi superconduttori calcolato da AI. Da “Descrittori di frammenti universali per la previsione delle proprietà dei cristalli inorganici”, Isayev et al, Nature Communications, 2017
Tali approcci hanno portato alla scoperta di nuovi tipi di materiali per celle solari, elettrodi per batterie, vetri e ceramiche, tra gli altri. In molti di questi studi, l’IA lancia un’ampia rete e scansiona milioni di materiali per una determinata proprietà. Alcune migliaia sono contrassegnate per l’elaborazione dettagliata dei numeri quantici, come spiegato prima. Alcune centinaia che sopravvivono a questo screening vengono realizzate in laboratorio, il che potrebbe portare a uno o due vincitori.
Questo processo è molto più veloce e richiede solo un paio di mesi invece di decenni.
Inoltre, selezioniamo molti più materiali, permettendoci di prepararci per scoperte a sorpresa.
L’intero campo della scienza dei materiali è stato acceso da queste possibilità. Quasi tutti i dipartimenti universitari, incluso il MIT, dove lavoro , hanno persone che fanno una sorta di analisi dei dati/apprendimento automatico. Le aziende di materiali tradizionali come Corning, Saint Gobain, Tata Steel, ecc. stanno assumendo scienziati dei dati o preferibilmente laureati in scienze con una certa esperienza nei dati. Anche aziende come Shell o BASF hanno analisti di dati che stanno lavorando per far progredire lo sviluppo dei materiali attraverso l’intelligenza artificiale.
Una miriade di startup sono spuntate in tutto il mondo sperando di trarre vantaggio dall’essere la prima mossa nella scoperta di nuovi materiali.
Materials Zone in Israele sta fornendo una piattaforma simile a Github che consente agli scienziati di caricare i propri dati sul cloud in tempo reale, consentendo anche a grandi team di collaborare da qualsiasi parte del mondo. Fornendo una piattaforma dettagliata per la condivisione dei dati, garantiscono che tutti i dati rilevanti per un esperimento siano disponibili online, e non solo i parametri selezionati che sono riportati nella maggior parte dei documenti pubblicati. Questo, a sua volta, consente alla scienza di essere più riproducibile e affidabile.
Citrine Informatics nella Silicon Valley è emersa come la più grande azienda in questo spazio con un recente finanziamento di serie B di $ 20 milioni e una valutazione di $ 75 milioni. Stanno affrontando un’ampia gamma di problemi, dai nuovi progressi nell’industria dell’alluminio ai vetri e ai polimeri. Una delle missioni principali di Citrine è spingere per nuovi sviluppi algoritmici che combinino dati da varie fonti: testi, quaderni di laboratorio, immagini, manuali, ecc. Collaborano attivamente con molti leader del settore, aiutando a digitalizzare i loro inventari e a estrarre valore dal loro interno banche dati.
La scarsità dei dati di allenamento
Sebbene entusiasmanti, tutti questi sforzi sono seriamente ostacolati dalla mancanza di dati facilmente accessibili.
Gli algoritmi di intelligenza artificiale come il deep learning richiedono milioni di punti dati per addestrarsi efficacemente. I campi dell’ingegneria come la scienza dei materiali hanno tradizionalmente archiviato tutte le loro informazioni in riviste accademiche, manuali, libri di testo, quaderni di laboratorio e brevetti.
Quindi, se hai bisogno di tutti i dati sui compositi in fibra di carbonio ad alta resistenza, dovrai esaminare ciascuna di queste risorse e compilare tutte quelle informazioni da solo. Questo non è scalabile.
Un’idea è quella di utilizzare l’ elaborazione del linguaggio naturale per estrarre automaticamente le informazioni da queste risorse di testo. L’altro è fare uso di robot per fare esperimenti. Ho scritto di questi qui e qui .
Mentre questi sforzi stanno prendendo slancio, il mondo non ha idea che presto sarà colpito da un diluvio di materiali nuovi di zecca. Non sarebbe fantastico se avessimo una nuova età del ferro/della carta/del silicio ogni due decenni?
Dopotutto, l’unobtainium potrebbe non essere così irraggiungibile.
di Vineeth Venugopal da medium.com
