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Fast inverse design of microstructures via generative invariance networks

可微函数 计算机科学 深度学习 反向 过程(计算) 工程设计过程 生成语法 计算机工程 理论计算机科学 人工智能 机械工程 数学 工程类 几何学 操作系统 数学分析
作者
Xian Yeow Lee,Joshua Waite,Chih-Hsuan Yang,Balaji Sesha Sarath Pokuri,Ameya Joshi,Aditya Balu,Chinmay Hegde,Baskar Ganapathysubramanian,Soumik Sarkar
出处
期刊:Nature Computational Science [Nature Portfolio]
卷期号:1 (3): 229-238 被引量:36
标识
DOI:10.1038/s43588-021-00045-8
摘要

The problem of the efficient design of material microstructures exhibiting desired properties spans a variety of engineering and science applications. The ability to rapidly generate microstructures that exhibit user-specified property distributions can transform the iterative process of traditional microstructure-sensitive design. We reformulate the microstructure design process using a constrained generative adversarial network (GAN) model. This approach explicitly encodes invariance constraints within GANs to generate two-phase morphologies for photovoltaic applications obeying design specifications: specifically, user-defined short-circuit current density and fill factor combinations. Such invariance constraints can be represented by differentiable, deep learning-based surrogates of full physics models mapping microstructures to photovoltaic properties. Furthermore, we propose a multi-fidelity surrogate that reduces expensive label requirements by a factor of five. Our framework enables the incorporation of expensive or non-differentiable constraints for the fast generation of microstructures (in 190 ms) with user-defined properties. Such proposed physics-aware data-driven methods for inverse design problems can be used to considerably accelerate the field of microstructure-sensitive design. Physics-aware deep generative models are used to design material microstructures exhibiting tailored properties. Multi-fidelity data are used to create inexpensive yet accurate machine learning surrogates for evaluating the physics-based constraints within such design frameworks.
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