Efficient Closed-loop Maximization of Carbon Nanotube Growth Rate using Bayesian Optimization

贝叶斯优化 计算机科学 吞吐量 最大化 参数空间 碳纳米管 利用 数学优化 贝叶斯概率 机器学习 算法 人工智能 纳米技术 材料科学 数学 统计 电信 计算机安全 无线
作者
Jorge Chang,Pavel Nikolaev,Jennifer Carpena‐Núñez,Rahul Rao,Kevin Decker,Ahmad E. Islam,Jiseob Kim,Mark A. Pitt,Jay I. Myung,Benji Maruyama
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:10 (1): 9040-9040 被引量:88
标识
DOI:10.1038/s41598-020-64397-3
摘要

A major technological challenge in materials research is the large and complex parameter space, which hinders experimental throughput and ultimately slows down development and implementation. In single-walled carbon nanotube (CNT) synthesis, for instance, the poor yield obtained from conventional catalysts is a result of limited understanding of input-to-output correlations. Autonomous closed-loop experimentation combined with advances in machine learning (ML) is uniquely suited for high-throughput research. Among the ML algorithms available, Bayesian optimization (BO) is especially apt for exploration and optimization within such high-dimensional and complex parameter space. BO is an adaptive sequential design algorithm for finding the global optimum of a black-box objective function with the fewest possible measurements. Here, we demonstrate a promising application of BO in CNT synthesis as an efficient and robust algorithm which can (1) improve the growth rate of CNT in the BO-planner experiments over the seed experiments up to a factor 8; (2) rapidly improve its predictive power (or learning); (3) Consistently achieve good performance regardless of the number or origin of seed experiments; (4) exploit a high-dimensional, complex parameter space, and (5) achieve the former 4 tasks in just over 100 hundred experiments (~8 experimental hours) - a factor of 5× faster than our previously reported results.
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