在過(guò)去的幾年中，化學(xué)研究只專(zhuān)注于使用從個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)中獲得的先前研究成果的進(jìn)行試驗(yàn)的方法。盡管在文獻(xiàn)中一直有很多反應(yīng)和化學(xué)途徑可供科學(xué)家使用，但在一系列反應(yīng)／一系列反應(yīng)中可能會(huì)發(fā)生許多不可預(yù)測(cè)的自發(fā)場(chǎng)景。這是化學(xué)研發(fā)需要時(shí)間和耐心才能產(chǎn)生結(jié)果的原因之一。

在過(guò)去的十年左右的時(shí)間里，計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域一直在增長(zhǎng)。盡管早在那之前，計(jì)算方法的使用還是很有限的，但是近年來(lái)，它已經(jīng)成為優(yōu)化和預(yù)測(cè)化學(xué)研究的非常強(qiáng)大的工具。現(xiàn)在，使用計(jì)算方法，化學(xué)家可以預(yù)測(cè)反應(yīng)的工作方式，最佳參數(shù)、要使用的試劑和反應(yīng)條件，甚至可以使用計(jì)算方法來(lái)預(yù)測(cè)他們計(jì)劃制造的材料／分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

因此，計(jì)算方法可以在整個(gè)概念、開(kāi)發(fā)和分析過(guò)程中為化學(xué)家提供幫助。那么，為什么近年來(lái)使用量增加了？首先，化學(xué)家對(duì)計(jì)算化學(xué)有了更多的了解，并意識(shí)到它可以帶來(lái)的好處。第二，更多科學(xué)家現(xiàn)在更容易獲得支持這些模擬所需的計(jì)算能力。第三，機(jī)器學(xué)習(xí)算法的進(jìn)步以及它們?cè)谟?jì)算化學(xué)過(guò)程中的集成，使得可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果－實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，成功的可能性更高。

將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于化學(xué)過(guò)程

像許多實(shí)施機(jī)器學(xué)習(xí)的領(lǐng)域一樣，它在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域的用途是從文獻(xiàn)中獲取所有已知數(shù)據(jù)，進(jìn)行推斷和分析，并預(yù)測(cè)最可能的結(jié)果。對(duì)于化學(xué)領(lǐng)域，這通常意味著從不同的反應(yīng)中獲取數(shù)據(jù)，例如試劑的類(lèi)型、化學(xué)物質(zhì)的濃度、工藝條件以及可以生產(chǎn)的產(chǎn)品。

所有這些數(shù)據(jù)都是有價(jià)值的，因?yàn)樗鼈兌际强梢詻Q定結(jié)果的因素，使反應(yīng)物成為理想的輸入集，而產(chǎn)物則成為輸出。這些數(shù)據(jù)的使用可以被輸入到機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，并且可以用來(lái)做三件事。首先是通過(guò)使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，可以推斷出化學(xué)結(jié)構(gòu)形成的最可能原因（從反應(yīng)／過(guò)程的角度來(lái)看），并且可以被工業(yè)界用來(lái)預(yù)測(cè)執(zhí)行其所需功能的新分子。

第二種方法更多地與流程本身有關(guān)。有時(shí)，研究人員會(huì)想到一個(gè)產(chǎn)品，但不知道其過(guò)程�？梢詮囊郧暗姆磻�(yīng)中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，這使算法能夠預(yù)測(cè)哪些條件和試劑將負(fù)責(zé)分子中不同化學(xué)基團(tuán)的形成。這使算法可以創(chuàng)建反應(yīng)路徑，該算法顯示了逐步構(gòu)建分子的最可能途徑。

第三種方法是完整的分子設(shè)計(jì)方法，該方法以一個(gè)想法開(kāi)始，但沒(méi)有定義的產(chǎn)物或反應(yīng)途徑。這采用了其他兩點(diǎn)的原則。盡管如此，除了一個(gè)變量（產(chǎn)物或反應(yīng)）外，兩者在技術(shù)上都是未知的，因此算法需要外推產(chǎn)物和反應(yīng)條件，以產(chǎn)生可能的結(jié)果／途徑。這是一項(xiàng)較難執(zhí)行的任務(wù)，但受到了很多關(guān)注。

機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)分子

計(jì)算化學(xué)的另一個(gè)主要方面是對(duì)材料／分子本身，它們的基本內(nèi)在特性以及它們?cè)谀承┣闆r／環(huán)境下的行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。與工業(yè)中通常采用的工藝優(yōu)化相比，這是計(jì)算化學(xué)的更基本、更長(zhǎng)時(shí)間的使用，并且在學(xué)術(shù)界研究新材料和分子時(shí)通常更常用（因?yàn)檫@是時(shí)間、金錢(qián)和有效產(chǎn)品規(guī)模的體現(xiàn)）。應(yīng)當(dāng)指出的是，這些努力不僅限于化學(xué)領(lǐng)域，因?yàn)樵谏�物和工程領(lǐng)域也使用了類(lèi)似的計(jì)算方法。

即使需要關(guān)注的因素較少（即僅關(guān)注分子，而不是過(guò)程和分子），但在此領(lǐng)域中使用計(jì)算化學(xué)也很重要，因?yàn)樗�有助于從根本上�?shí)現(xiàn)結(jié)果。通常是在創(chuàng)建工業(yè)流程之前發(fā)生的階段－機(jī)器學(xué)習(xí)也確實(shí)幫助提升了這一領(lǐng)域。

模擬分子的結(jié)構(gòu)及其如何執(zhí)行并非易事。多年來(lái)，一直受到需要計(jì)算的變量數(shù)量與可用計(jì)算能力的限制（許多研究人員共享一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行上述計(jì)算）。機(jī)器學(xué)習(xí)在這方面確實(shí)有所幫助，因?yàn)榕c以前相比，計(jì)算原子的各種數(shù)量、鍵能、能量和反應(yīng)勢(shì)壘、量子特性、磁和激發(fā)分子態(tài)以及分子間和分子內(nèi)相互作用都非常容易。

從一組變量和已知數(shù)據(jù)點(diǎn)推斷和預(yù)測(cè)最佳解決方案是機(jī)器學(xué)習(xí)最擅長(zhǎng)的事情，這意味著使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以更輕松地優(yōu)化必須計(jì)算的大量數(shù)據(jù)。上述許多變量對(duì)分子／分子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都有重要影響，因此推論出比往年更準(zhǔn)確的分子和性質(zhì)。它甚至可以使更復(fù)雜的原子（例如元素周期表中的d和f塊元素）的計(jì)算精度更高，而在過(guò)去的幾年中這是不可能的。

總結(jié)

即使有幾種不同的計(jì)算程序可用于創(chuàng)建這些分子模擬，但是機(jī)器學(xué)習(xí)也可以應(yīng)用于所有這些模擬中。機(jī)器學(xué)習(xí)不僅有助于優(yōu)化和改善工業(yè)水平上的化學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程，而且在推論已知和未知分子的分子結(jié)構(gòu)和特性，了解分子在某些情況下的行為以及反應(yīng)最有可能產(chǎn)生的結(jié)果等基礎(chǔ)性方面也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

總體而言，機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)對(duì)計(jì)算化學(xué)產(chǎn)生了巨大影響，并且隨著越來(lái)越多的化學(xué)家在嘗試實(shí)驗(yàn)程序之前首先轉(zhuǎn)向計(jì)算／模擬，機(jī)器學(xué)習(xí)將在未來(lái)幾年中發(fā)揮更大的作用。