康奈尔大学正在用AI技术制造更高效的燃料电池材料

前线士兵无法快速充电，因此更依赖电池来为他们的夜视、无线电、小型传感器、操控无人机的便携式笔记本电脑和其他特种必需品供电。如果没有前进所需的电池动力，士兵们可能被迫撤退，甚至受到敌人火力的攻击。

美国陆军研究实验室正在更广泛的背景下资助康奈尔大学设计小型、便携式、轻量级和更持久的燃料电池，来为士兵的上述特种设备发电。

新实验专注研发全新燃料电池

当陆军步兵下车攻击敌人的防御工事时；当他们冒着敌人的火力快速移动，寻找继续进攻的最佳位置时，士兵使用的电池的“寿命”可以决定任务的成败，甚至决定生死。

据陆军研究办公室网络科学分部主任艾耶博士介绍，目前，更大的形状因子燃料电池已经存在。例如，燃料电池现在被集成到美军艾布拉姆斯坦克的“辅助动力单元”中，用以增强和扩展坦克传感器、武器、机载电子和计算机系统的性能。在装甲战斗车辆的现代化功能快速发展的同时，它们对电力的需求也日益增加。

然而，与目前正在进行的开发适合大型战斗车辆燃料电池的工作截然不同，新的实验专注于研发全新的燃料电池——当前大多数燃料电池都是通过“氧化”氢来发电的，新方法希望用甲醇取代氢。

据报道，康奈尔大学研究团队开发了一个人工智能系统，该系统发现一种有望制造更高效燃料电池的材料。该系统依赖于一组算法机器人，其中的每个机器人都执行不同的任务，通过筛选数百到数千种元素的组合，创建一个相位图——原子之间的排列关系，然后研究人员可以用它来确定哪一种组合可能作为新材料。

研究人员表示，这项研究是材料科学和机器学习领域的一个潜在突破。“基础科学研究最令人兴奋的部分是，你不能总是预测研究结果的走向。”艾耶博士称，“尽管材料科学的应用，如新型合金的设计，一直都是有可能实现的，但因为实验的偶然性，我们发现催化剂有助于设计更好的燃料电池，这有助于解决一个对军队极其重要的问题——战场上的电池动力。”

通过“氧化”氢来发电

在美军艾布拉姆斯坦克“辅助动力单元”中，燃料电池用以增强和扩展坦克传感器、武器、机载电子和计算机系统的性能。

用甲醇取代氢

用AI寻找关键催化剂，用甲醇替代难以储存的氢。

催化剂由三种元素结晶成一定的结构，对甲醇氧化有效，可用于甲醇燃料电池。

电池或能在5年后投入使用，以一种更安全和容易运输的形式提供给士兵,将对士兵在战场上的表现产生正面影响。

用AI寻找催化剂

“寻求改进汽车燃料电池的研究人员正在寻找一种催化剂，这种催化剂能在燃料电池中用甲醇替代难以储存的氢，而甲醇的效率可能要高得多。但是，由于没有已知的材料是甲醇氧化的有效催化剂，因此需要一种新材料。”加州理工学院的科学家格雷戈尔博士说，“如果存在一种可行的催化剂，就需要通过结合元素周期表中的元素来发现它，而组合的数量是如此之多，用传统的实验是无法做到的。”

“人类可以解决包含两个元素的简单合成系统的相位图。”格雷戈尔说，“但当有两个以上元素时，人类需要处理的信息就会太多，我们需要人工智能的帮助。”

然而，因为科学发现有着严格的限制，现有的机器学习方法并不适用。在科学发现中，解决方案不但要可信的，而且必须遵守物理和化学定律。

为了迎接这一挑战，康奈尔大学计算机科学教授、计算可持续性研究所所长戈梅斯和同事们开发了一个名为“晶体相位映射”的系统。该系统中设定了很多不同的任务，包括预测各种组合的相位结构和确保这些预测符合热力学规则，多个机器人分别负责问题的不同部分。

灵感来自沃森超级计算机

戈梅斯说，“晶体相位映射”系统的灵感部分来自IBM的沃森超级计算机。

沃森超级计算机利用一个由人工智能代理人组成的社区，想出各种可能的解决方案，在智力问答节目《危险边缘》中击败了人类冠军。

利用该系统，研究人员能够识别出一种独特的催化剂，该催化剂由三种元素结晶成一定的结构，对甲醇氧化有效，可用于甲醇燃料电池。“这个研究确实推动了人工智能的前沿，让它能得出有物理意义的解决方案。这是一个重要的发现，挑战了我们对催化的理解，也是设计下一代催化剂的一个重要研究方向。”戈梅斯说。

“这项研究的结果是让电池更耐用、能够以一种更安全和容易运输的形式提供给士兵,这将对士兵在战场上的表现产生巨大的正面影响。”艾耶说。

据报道，这种新型电池或能在5年后投入使用。