构建代表原子构型的有效描述符对于开发出色的机器学习电位至关重要。广泛使用的常规描述符基于原子分布的两种或三体相关性。最近，揭示了这些多体描述符在分类不同配置时的几个局限性，这对物理特性的预测产生了不利影响。我们根据持续的同源性提出了一类新的描述符。我们专注于持续同源性的二维可视化，即持久图，作为图像形式的原子配置的描述。我们证明，基于该描述符的卷积神经网络模型在预测无定形石墨烯和无定形碳的平均能量方面提供了足够的准确性。我们的结果为使用描述拓扑和几何信息的描述符提供了改善机器学习潜力的途径。

这项工作介绍了神经性等因素的外部潜力（NEQUIP），E（3） - 用于学习分子动力学模拟的AB-INITIO计算的用于学习网状体电位的e（3）的神经网络方法。虽然大多数当代对称的模型使用不变的卷曲，但仅在标量上采取行动，Nequip采用E（3） - 几何张量的相互作用，举起Quivariant卷曲，导致了更多的信息丰富和忠实的原子环境代表。该方法在挑战和多样化的分子和材料集中实现了最先进的准确性，同时表现出显着的数据效率。 Nequip优先于现有型号，最多三个数量级的培训数据，挑战深度神经网络需要大量培训套装。该方法的高数据效率允许使用高阶量子化学水平的理论作为参考的精确潜力构建，并且在长时间尺度上实现高保真分子动力学模拟。

精确预测物理性质对于发现和设计新材料至关重要。机器学习技术引起了材料科学界的重大关注，以实现大规模筛选的潜力。图表卷积神经网络（GCNN）是最成功的机器学习方法之一，因为它在描述3D结构数据时的灵活性和有效性。大多数现有的GCNN模型集中在拓扑结构上，但过度简化了三维几何结构。然而，在材料科学中，原子的3D空间分布对于确定原子状态和内部力是至关重要的。本文提出了一种具有新型卷积机制的自适应GCNN，其同时在三维空间中同时模拟所有邻的原子之间的原子相互作用。我们将拟议模型应用于预测材料特性的两个明显挑战的问题。首先是亨利在金属 - 有机框架（MOF）中的气体吸附恒定，这是众所周知的，因为它对原子配置的高敏感性。第二种是固态晶体材料中的离子电导率，这是由于少数可用于训练的标记数据而困难。新模型优于两个数据集上的现有基于图形的模型，这表明临界三维几何信息确实捕获。

预测分子系统的结构和能量特性是分子模拟的基本任务之一，并且具有化学，生物学和医学的用例。在过去的十年中，机器学习算法的出现影响了各种任务的分子模拟，包括原子系统的财产预测。在本文中，我们提出了一种新的方法，用于将从简单分子系统获得的知识转移到更复杂的知识中，并具有明显的原子和自由度。特别是，我们专注于高自由能状态的分类。我们的方法依赖于（i）分子的新型超图表，编码所有相关信息来表征构象的势能，以及（ii）新的消息传递和汇总层来处理和对此类超图结构数据进行预测。尽管问题的复杂性，但我们的结果表明，从三丙氨酸转移到DECA-丙氨酸系统的转移学习中，AUC的AUC为0.92。此外，我们表明，相同的转移学习方法可以用无监督的方式分组，在具有相似的自由能值的簇中，deca-丙氨酸的各种二级结构。我们的研究代表了一个概念证明，即可以设计用于分子系统的可靠传输学习模型，为预测生物学相关系统的结构和能量性能的未开发途径铺平道路。

由于控制结构特性关系的分子间相互作用的微妙平衡，预测由分子构建块形成的晶体结构的稳定性是一个高度非平凡的科学问题。一种特别活跃和富有成果的方法涉及对相互作用的化学部分的不同组合进行分类，因为了解不同相互作用的相对能量可以使分子晶体的设计和微调其稳定性。尽管这通常是基于对已知晶体结构中最常见的基序的经验观察进行的，但我们建议采用有监督和无监督的机器学习技术的组合来自动化分子构建块的广泛库。我们介绍了一个针对有机晶体的结合能量预测的结构描述符，并利用以原子为中心的性质来获得对不同化学基团对晶体晶格能量的贡献的数据驱动评估。然后，我们使用结构 - 能量景观的低维表示来解释该库，并讨论可以从本分析中提取的见解的选定示例，从而提供了一个完整的数据库来指导分子材料的设计。

图神经网络（GNN）是机器学习中非常流行的方法，并且非常成功地应用于分子和材料的性质。众所周知，一阶GNN是不完整的，即存在不同的图形，但在通过GNN的镜头看到时似乎相同。因此，更复杂的方案旨在提高其分辨能力。但是，在分子（以及更一般的点云）上的应用，为问题添加了几何维度。构造分子图表表示原子的最直接和普遍的方法将原子视为图中的顶点，并在所选截止中的每对原子之间绘制一个键。键可以用原子之间的距离进行装饰，所得的“距离图NN”（DGNN）在经验上已证明了出色的分辨能力，并广泛用于化学ML，所有已知的不可区分的图都在完全连接的极限中解析。在这里，我们表明，即使对于由3D原子云引起的完全连接图的受限情况也不完整。我们构造了一对不同的点云对产生图形，对于任何截止半径，基于一阶Weisfeiler-Lehman测试都是等效的。这类退化的结构包括化学上可见的构型，为某些完善的GNN架构的原子学机器学习设定了最终的限制。在原子环境描述中明确使用角度或方向信息的模型可以解决这些变性。

我们描述了与全球结构搜索方法结合使用的局部替代模型。该模型遵循高斯近似电势（GAP）形式主义，并基于原子位置描述符的平滑重叠，而使用Mini Batch $ K $ -MEANS则减少了本地环境的稀疏性。该模型是在原子全局优化X框架中实现的，并用作盆地跳结构搜索中局部放松的部分替代。该方法对于多种原子系统（包括分子，纳米颗粒，表面支撑的簇和表面薄膜）来说是可靠的。展示了本地替代模型的结构搜索环境中的好处。这包括从较小的系统转移学习的能力，以及执行并发多层计量搜索的可能性。

新催化剂的发现是计算化学的重要主题之一，因为它有可能加速采用可再生能源。最近开发的深度学习方法，例如图形神经网络（GNNS）开放的新机会，以显着扩大新型高性能催化剂的范围。然而，由于模棱两可的连接方案和节点和边缘的众多嵌入，特定晶体结构的图表并不是一项简单的任务。在这里，我们提出了GNN的嵌入改进，该改进已通过Voronoi Tesselation修改，并能够预测开放催化剂项目数据集中催化系统的能量。通过Voronoi镶嵌计算图的富集，并将相应的触点固体角度和类型（直接或间接）视为边缘的特征，而Voronoi体积用作节点特征。辅助方法是通过内在的原子特性（电负性，周期和组位置）富集节点表示。提出的修改使我们能够改善原始模型的平均绝对误差，最终误差等于“开放催化剂项目数据集”上每个原子的651 MeV，并且在金属中数据集上的每个原子6 MeV。同样，通过考虑其他数据集，我们表明，明智的数据选择可以将误差降低到高于每个原子阈值20 MEV的值的值。

Machine-learning models are increasingly used to predict properties of atoms in chemical systems. There have been major advances in developing descriptors and regression frameworks for this task, typically starting from (relatively) small sets of quantum-mechanical reference data. Larger datasets of this kind are becoming available, but remain expensive to generate. Here we demonstrate the use of a large dataset that we have "synthetically" labelled with per-atom energies from an existing ML potential model. The cheapness of this process, compared to the quantum-mechanical ground truth, allows us to generate millions of datapoints, in turn enabling rapid experimentation with atomistic ML models from the small- to the large-data regime. This approach allows us here to compare regression frameworks in depth, and to explore visualisation based on learned representations. We also show that learning synthetic data labels can be a useful pre-training task for subsequent fine-tuning on small datasets. In the future, we expect that our open-sourced dataset, and similar ones, will be useful in rapidly exploring deep-learning models in the limit of abundant chemical data.

Machine Learning (ML) interatomic models and potentials have been widely employed in simulations of materials. Long-range interactions often dominate in some ionic systems whose dynamics behavior is significantly influenced. However, the long-range effect such as Coulomb and Van der Wales potential is not considered in most ML interatomic potentials. To address this issue, we put forward a method that can take long-range effects into account for most ML local interatomic models with the reciprocal space neural network. The structure information in real space is firstly transformed into reciprocal space and then encoded into a reciprocal space potential or a global descriptor with full atomic interactions. The reciprocal space potential and descriptor keep full invariance of Euclidean symmetry and choice of the cell. Benefiting from the reciprocal-space information, ML interatomic models can be extended to describe the long-range potential including not only Coulomb but any other long-range interaction. A model NaCl system considering Coulomb interaction and the GaxNy system with defects are applied to illustrate the advantage of our approach. At the same time, our approach helps to improve the prediction accuracy of some global properties such as the band gap where the full atomic interaction beyond local atomic environments plays a very important role. In summary, our work has expanded the ability of current ML interatomic models and potentials when dealing with the long-range effect, hence paving a new way for accurate prediction of global properties and large-scale dynamic simulations of systems with defects.

电子密度$ \ rho（\ vec {r}）$是用密度泛函理论（dft）计算地面能量的基本变量。除了总能量之外，$ \ rho（\ vec {r}）$分布和$ \ rho（\ vec {r}）$的功能通常用于捕获电子规模以功能材料和分子中的关键物理化学现象。方法提供对$ \ rho（\ vec {r}）的可紊乱系统，其具有少量计算成本的复杂无序系统可以是对材料相位空间的加快探索朝向具有更好功能的新材料的逆设计的游戏更换者。我们为预测$ \ rho（\ vec {r}）$。该模型基于成本图形神经网络，并且在作为消息传递图的一部分的特殊查询点顶点上预测了电子密度，但仅接收消息。该模型在多个数据组中进行测试，分子（QM9），液体乙烯碳酸酯电解质（EC）和Lixniymnzco（1-Y-Z）O 2锂离子电池阴极（NMC）。对于QM9分子，所提出的模型的准确性超过了从DFT获得的$ \ Rho（\ vec {r}）$中的典型变异性，以不同的交换相关功能，并显示超出最先进的准确性。混合氧化物（NMC）和电解质（EC）数据集更好的精度甚至更好。线性缩放模型同时探测成千上万点的能力允许计算$ \ Rho（\ vec {r}）$的大型复杂系统，比DFT快于允许筛选无序的功能材料。

对称考虑对于用于提供原子配置的有效数学表示的主要框架的核心，然后在机器学习模型中用于预测与每个结构相关的特性。在大多数情况下，模型依赖于以原子为中心的环境的描述，并且适合于学习可以分解成原子贡献的原子特性或全局观察到。然而，许多与量子机械计算相关的数量 - 最值得注意的是，以原子轨道基础写入时的单粒子哈密顿矩阵 - 与单个中心无关，但结构中有两个（或更多个）原子。我们讨论一系列结构描述符，以概括为N中心案例的非常成功的原子居中密度相关特征，特别是如何应用这种结构，以有效地学习（有效）单粒子汉密尔顿人的矩阵元素以原子为中心的轨道基础。这些N中心的特点是完全的，不仅在转换和旋转方面，而且还就与原子相关的指数的排列而言 - 并且适合于构建新类的对称适应的机器学习模型分子和材料的性质。

A generalized understanding of protein dynamics is an unsolved scientific problem, the solution of which is critical to the interpretation of the structure-function relationships that govern essential biological processes. Here, we approach this problem by constructing coarse-grained molecular potentials based on artificial neural networks and grounded in statistical mechanics. For training, we build a unique dataset of unbiased all-atom molecular dynamics simulations of approximately 9 ms for twelve different proteins with multiple secondary structure arrangements. The coarse-grained models are capable of accelerating the dynamics by more than three orders of magnitude while preserving the thermodynamics of the systems. Coarse-grained simulations identify relevant structural states in the ensemble with comparable energetics to the all-atom systems. Furthermore, we show that a single coarse-grained potential can integrate all twelve proteins and can capture experimental structural features of mutated proteins. These results indicate that machine learning coarse-grained potentials could provide a feasible approach to simulate and understand protein dynamics.

数据驱动的机器学习方法有可能显着加速材料设计的速率，而不是传统的人类指导方法。这些方法将有助于识别或在生成模型的情况下，甚至可以创建具有一组指定功能特性的新型材料结构，然后在实验室中合成或隔离。对于晶体结构的产生，关键的瓶颈在于为机器学习模型开发合适的原子结构指纹或表示，类似于分子生成中使用的基于图或微笑的表示。但是，找到对翻译，旋转和排列不变的数据有效表示，而笛卡尔原子坐标仍然是可逆的，仍然是一个持续的挑战。在这里，我们通过采用具有所需的不变的现有的不可糊化表示并开发算法来通过使用自动分化的基于梯度的优化来重建原子坐标，从而提出了一种替代方法。然后，可以将其与生成机器学习模型耦合，该模型在表示空间内生成新材料，而不是在数据范围内的笛卡尔空间中生成新材料。在这项工作中，我们使用以原子为中心的对称函数来实现这种端到端的结构生成方法，作为表示和条件变化自动编码器作为生成模型。我们能够成功地生成亚纳米PT纳米颗粒的新颖和有效的原子结构，作为概念证明。此外，该方法可以很容易地扩展到任何合适的结构表示形式，从而为基于结构的生成提供了强大的，可推广的框架。

我们设计了一种新型的前馈神经网络。相对于统一组$ u（n）$，它是均等的。输入和输出可以是$ \ mathbb {c}^n $的向量，并具有任意尺寸$ n $。我们的实施中不需要卷积层。我们避免因傅立叶样转换中的高阶项截断而导致错误。可以使用简单的计算有效地完成每一层的实现。作为概念的证明，我们已经对原子运动动力学的预测给出了经验结果，以证明我们的方法的实用性。

我们向高吞吐量基准介绍了用于材料和分子数据集的化学系统的多种表示的高吞吐量基准的机器学习（ML）框架。基准测试方法的指导原理是通过将模型复杂性限制在简单的回归方案的同时，在执行最佳ML实践的同时将模型复杂性限制为简单的回归方案，允许通过沿着同步的列车测试分裂的系列进行学习曲线来评估学习进度来评估原始描述符性能。结果模型旨在为未来方法开发提供通知的基线，旁边指示可以学习给定的数据集多么容易。通过对各种物理化学，拓扑和几何表示的培训结果的比较分析，我们介绍了这些陈述的相对优点以及它们的相互关联。

We introduce an end-to-end computational framework that enables hyperparameter optimization with the DeepHyper library, accelerated training, and interpretable AI inference with a suite of state-of-the-art AI models, including CGCNN, PhysNet, SchNet, MPNN, MPNN-transformer, and TorchMD-Net. We use these AI models and the benchmark QM9, hMOF, and MD17 datasets to showcase the prediction of user-specified materials properties in modern computing environments, and to demonstrate translational applications for the modeling of small molecules, crystals and metal organic frameworks with a unified, stand-alone framework. We deployed and tested this framework in the ThetaGPU supercomputer at the Argonne Leadership Computing Facility, and the Delta supercomputer at the National Center for Supercomputing Applications to provide researchers with modern tools to conduct accelerated AI-driven discovery in leadership class computing environments.

蛋白质功能预测的最新进展利用了基于图的深度学习方法，以将蛋白质的结构和拓扑特征与其分子功能相关联。然而，体内蛋白质不是静态的，而是为功能目的改变构象的动态分子。在这里，我们通过在动态相关的残基对之间连接边缘，将正常模式分析应用于天然蛋白质构象和增强蛋白图。在Multilabel函数分类任务中，我们的方法基于此动态信息表示，演示了出色的性能增益。提出的图形神经网络（Prodar）提高了残基级注释的可解释性和普遍性，并鲁棒反映了蛋白质中的结构细微差别。我们通过比较HMTH1，硝基酚蛋白和SARS-COV-2受体结合结构域的类激活图来阐明图表中动态信息的重要性。我们的模型成功地学习了蛋白质的动态指纹，并指出了功能影响的残基，具有广泛的生物技术和药物应用的巨大潜力。

Molecular machine learning has been maturing rapidly over the last few years.Improved methods and the presence of larger datasets have enabled machine learning algorithms to make increasingly accurate predictions about molecular properties. However, algorithmic progress has been limited due to the lack of a standard benchmark to compare the efficacy of proposed methods; most new algorithms are benchmarked on different datasets making it challenging to gauge the quality of proposed methods. This work introduces MoleculeNet, a large scale benchmark for molecular machine learning. MoleculeNet curates multiple public datasets, establishes metrics for evaluation, and offers high quality open-source implementations of multiple previously proposed molecular featurization and learning algorithms (released as part of the DeepChem

在计算化学和材料科学中，创建快速准确的力场是一项长期挑战。最近，已经证明，几个直径传递神经网络（MPNN）超过了使用其他方法在准确性方面构建的模型。但是，大多数MPNN的计算成本高和可伸缩性差。我们建议出现这些局限性，因为MPNN仅传递两体消息，从而导致层数与网络的表达性之间的直接关系。在这项工作中，我们介绍了MACE，这是一种使用更高的车身订单消息的新型MPNN模型。特别是，我们表明，使用四体消息将所需的消息传递迭代数减少到\ emph {两}，从而导致快速且高度可行的模型，达到或超过RMD17的最新准确性，3BPA和ACAC基准任务。我们还证明，使用高阶消息会导致学习曲线的陡峭程度改善。