材料设计漫谈1

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1、材料科学进展——材料设计漫谈主要内容哲学与研究人类思维方式的演变什么是材料设计材料设计的范畴与层次应用实例哲学与研究哲学是人类认识世界的最高层次的思考。寻找世界的本原问题；人类在世界中的位置，即人类作为认识的主体在研究中的重要性。了解哲学是从总体上、大局上把握世界；把握研究的方向，不至于走入死胡同。付里叶变换Fourier是法国大革命时期的数学家，他在频谱分析领域做有卓越的贡献。在当时，拿破仑时代，科学界流行一种哲学：世界是有“基元”组成的，任何一种物质只是基元的加权的代数和。基元是什么？运动是物质的一种存在形态，也应该具有一种相同的特性，即运动

2、应由基元组成。付里叶变换（续）Fourier通过研究“振动弦”的运动得出一个规律：即振动弦的运动可以分解为多个“正弦”信号的和。又通过对很多现象的研究，Fourier得出一个结论：任何一个信号可以分解为多个“简谐周期函数”的加权和，而sin(x)、cos(x)是最简单的“简谐周期函数”。付里叶变换（续）由此，付里叶得出如下的结论：任意时间周期信号基元权值常量付里叶变换（续）从当时的角度（哲学观点）来看，是任何一个信号可以表示为“正弦”信号的加权和，符合哲学观点，推导正确。当Fourier将论文提交给法国研究院，由Lagrangri等三名数学家组成

3、的委员会没有允许该论文的发表，原因是该数学推导不严格，Lagrangri提出对于处处不可导的信号（函数）该理论不成立。神经元理论神经元网络：神经元网络(NerualNet)指由大量神经元互连而成的网络，有点象服务器互连而成的国际互连网(Internet).人脑有1000亿个神经元，每个神经元平均与10000个其他神经元互连，这就构成了人类智慧的直接物质基础。yx1x2x3xnw1w2w3wnArtificialNeuralNetwork(ANN)O1O2O3神经元网络是根据生物的神经元组成而得来的两态工作，即只有兴奋和抑制两个状态阈值作用，超过

4、某个阈值，神经元兴奋多输入、单输出，树状突起获得众多输入，轴突单输出空间、时间叠加可塑性连接，突起的连接强度可调节神经元网络（续）每个神经元是基元，任何一个函数f(x)可以通过神经元的加权和而得到。神经元的数目可以选择，层次的个数可以选择，原则上三层以上即可以模拟任何一个函数（包括线性函数、非线性函数）功能十分强大！网络模型构建后，需要获得权值，权值的获取方法是训练。即选择足够的训练样本空间，对模型中的连接进行训练，训练完成，既可以用于相关的应用。神经元网络（续）一个非常好的思路，可以同时解决线性和非线性问题！问题是：训练样本空间与应用样本空间不

5、是一个集合，用训练样本空间训练出来的神经元模型对于样本空间的样本是最优的结果，而对于应用样本空间就不一定是最优的结果！例如：应用神经元网络识别0~9个数字，选定三层神经网（输入层、隐含层、输出层），隐含层包含128个节点，训练样本空间选择0~9的手写数字分别为100个，共1000个样本集。神经元网络（续）训练结束后，对于样本空间的样本的识别率可以达到100%，而如果选择一个手写的字母“A”作为识别样本，发现他也会得出一个0~9之间的一个结果，显然出现了误识。那么误识率会是多大？结论在世界是由基元组成这一哲学思想下，产生了一系列的十分有效的技术，可

6、见哲学对研究的意义。相反，如果没有一种哲学思想，我们的研究如何归纳总结出一种一般的规律？总结出的规律正确与否？材料科学发展年代科学技术性原始使用材料阶段合成加工材料＝经验技术阶段认识微结构＝进入材料科学阶段微结构模拟＝材料科学的新阶段当前的水平人类思维方式的演变●当今，多学科交叉的复杂性研究正引导着科学观离开传统的“还原论”而走向“系统论”。——中国科学院院长路甬祥在世界科学大会上的讲话，1999年6月26日于布达佩斯，载于1999年6月29日“科学时报”。人类思维方式的演变●“近年来，在讨论学科的交叉与整合的过程中，国外有专家认为，对复杂系统的

7、精确与完整的描述，是整个科学领域中不亚于细胞生物学和生态学的挑战”。——中国科学院院士戴汝为，2001年1月1日，“科学时报”，十大领域院士评述学科走势专栏。人类思维方式的演变●经典科学强调可逆和稳定性，自然法则表达确定性，即科学与原因有关，与概率无涉。现代科学强调有序和不稳定性，自然法则表达可能性，即科学与原因有关，与概率有涉。科学不再等同于确定性，概率不再等同于无知。系统科学将融合它们去创建新自然法则。——史定华评诺贝尔奖得主普利高津《确定性的终结——时间、混沌与新自然法则》一书，2001年10月9日，“科学时报”。什么是材料设计材料设计材料

8、设计(materialsdesign)，是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材