Improving machine learning force fields for molecular dynamics simulations with fine-grained force metrics

力场(虚构) 分子动力学 计算机科学 稳健性(进化) 理论(学习稳定性) 一般化 集合(抽象数据类型) 机器学习 人工智能 计算化学 化学 数学 生物化学 基因 数学分析 程序设计语言
作者
Zun Wang,Haili Wu,Lixin Sun,Xinheng He,Zhirong Liu,Borong Shao,Tong Wang,Tie-Yan Liu
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (3)
标识
DOI:10.1063/5.0147023
摘要

Machine learning force fields (MLFFs) have gained popularity in recent years as they provide a cost-effective alternative to ab initio molecular dynamics (MD) simulations. Despite a small error on the test set, MLFFs inherently suffer from generalization and robustness issues during MD simulations. To alleviate these issues, we propose global force metrics and fine-grained metrics from element and conformation aspects to systematically measure MLFFs for every atom and every conformation of molecules. We selected three state-of-the-art MLFFs (ET, NequIP, and ViSNet) and comprehensively evaluated on aspirin, Ac-Ala3-NHMe, and Chignolin MD datasets with the number of atoms ranging from 21 to 166. Driven by the trained MLFFs on these molecules, we performed MD simulations from different initial conformations, analyzed the relationship between the force metrics and the stability of simulation trajectories, and investigated the reason for collapsed simulations. Finally, the performance of MLFFs and the stability of MD simulations can be further improved guided by the proposed force metrics for model training, specifically training MLFF models with these force metrics as loss functions, fine-tuning by reweighting samples in the original dataset, and continued training by recruiting additional unexplored data.
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