分子动力学（MD）模拟是各种科学领域的主力，但受到高计算成本的限制。基于学习的力场在加速AB-Initio MD模拟方面取得了重大进展，但对于许多需要长期MD仿真的现实世界应用程序仍然不够快。在本文中，我们采用了一种不同的机器学习方法，使用图形群集将物理系统粗糙化，并使用图形神经网络使用非常大的时间整合步骤对系统演变进行建模。一个新型的基于分数的GNN改进模块解决了长期模拟不稳定性的长期挑战。尽管仅接受了简短的MD轨迹数据训练，但我们学到的模拟器仍可以推广到看不见的新型系统，并比训练轨迹更长的时间。需要10-100 ns级的长时间动力学的属性可以在多个刻度级的速度上准确恢复，而不是经典的力场。我们证明了方法对两个现实的复杂系统的有效性：（1）隐式溶剂中的单链粗粒聚合物； （2）多组分锂离子聚合物电解质系统。

分子动力学（MD）仿真是一种强大的工具，用于了解物质的动态和结构。由于MD的分辨率是原子尺度，因此实现了使用飞秒集成的长时间模拟非常昂贵。在每个MD步骤中，执行许多可以学习和避免的冗余计算。这些冗余计算可以由像图形神经网络（GNN）的深度学习模型代替和建模。在这项工作中，我们开发了一个GNN加速分子动力学（GAMD）模型，实现了快速准确的力预测，并产生与经典MD模拟一致的轨迹。我们的研究结果表明，Gamd可以准确地预测两个典型的分子系统，Lennard-Jones（LJ）颗粒和水（LJ +静电）的动态。 GAMD的学习和推理是不可知论的，它可以在测试时间缩放到更大的系统。我们还进行了一项全面的基准测试，将GAMD的实施与生产级MD软件进行了比较，我们展示了GAMD在大规模模拟上对它们具有竞争力。

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.

分子模拟的粗粒度（CG）通过将选定的原子分组为伪珠并大幅加速模拟来简化粒子的表示。但是，这种CG程序会导致信息损失，从而使准确的背景映射，即从CG坐标恢复细粒度（FG）坐标，这是一个长期存在的挑战。受生成模型和e象网络的最新进展的启发，我们提出了一个新型模型，该模型严格嵌入了背态转换的重要概率性质和几何一致性要求。我们的模型将FG的不确定性编码为不变的潜在空间，并通过Equivariant卷积将其解码为FG几何形状。为了标准化该领域的评估，我们根据分子动力学轨迹提供了三个综合基准。实验表明，我们的方法始终恢复更现实的结构，并以显着的边距胜过现有的数据驱动方法。

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。

从实验或模拟数据中学习对的相互作用对于分子模拟引起了极大的兴趣。我们提出了一种使用可区分的模拟（DIFFSIM）从数据中学习对相互作用的通用随机方法。 DIFFSIM通过分子动力学（MD）模拟定义了基于结构可观察物（例如径向分布函数）的损耗函数。然后，使用反向传播直接通过随机梯度下降直接学习相互作用电位，以通过MD模拟计算相互作用势的结构损耗度量标准的梯度。这种基于梯度的方法是灵活的，可以配置以同时模拟和优化多个系统。例如，可以同时学习不同温度或不同组合物的潜力。我们通过从径向分布函数中恢复简单的对电位（例如Lennard-Jones系统）来证明该方法。我们发现，与迭代Boltzmann倒置相比，DIFFSIM可用于探测配对电位的更广泛的功能空间。我们表明，我们的方法可用于同时拟合不同组成和温度下的模拟电位，以提高学习势的可传递性。

在学识表的迅速推进的地区，几乎所有方法都训练了从输入状态直接预测未来状态的前进模型。然而，许多传统的仿真引擎使用基于约束的方法而不是直接预测。这里我们提出了一种基于约束的学习仿真的框架，其中标量约束函数被实现为神经网络，并且将来的预测被计算为在这些学习的约束下的优化问题的解决方案。我们使用图形神经网络作为约束函数和梯度下降作为约束求解器来实现我们的方法。架构可以通过标准的backprojagation培训。我们在各种具有挑战性的物理领域中测试模型，包括模拟绳索，弹跳球，碰撞不规则形状和飞溅液。我们的模型可实现更好或更具可比性的性能，以获得最佳学习的模拟器。我们模型的一个关键优势是能够在测试时间概括到更多求解器迭代，以提高模拟精度。我们还展示了如何在测试时间内添加手工制定的约束，以满足培训数据中不存在的目标，这是不可能的前进方法。我们的约束框架适用于使用前进学习模拟器的任何设置，并演示了学习的模拟器如何利用额外的归纳偏差以及来自数值方法领域的技术。

粗粒（CG）分子模拟已成为研究全原子模拟无法访问的时间和长度尺度上分子过程的标准工具。参数化CG力场以匹配全原子模拟，主要依赖于力匹配或相对熵最小化，这些熵最小化分别需要来自具有全原子或CG分辨率的昂贵模拟中的许多样本。在这里，我们提出了流量匹配，这是一种针对CG力场的新训练方法，它通过利用正常流量（一种生成的深度学习方法）来结合两种方法的优势。流量匹配首先训练标准化流程以表示CG概率密度，这等同于最小化相对熵而无需迭代CG模拟。随后，该流量根据学习分布生成样品和力，以通过力匹配来训练所需的CG能量模型。即使不需要全部原子模拟的力，流程匹配就数据效率的数量级优于经典力匹配，并产生CG模型，可以捕获小蛋白质的折叠和展开过渡。

我们提供了证据表明，学到的密度功能理论（``dft'）的力场已准备好进行基态催化剂发现。我们的关键发现是，尽管预测的力与地面真相有很大差异，但使用从超过50 \％的评估系统中使用RPBE功能的能量与使用RPBE功能相似或较低能量的力量的力量与使用RPBE功能相似或较低的力量放松。这具有令人惊讶的含义，即学习的潜力可能已经准备好在挑战性的催化系统中替换DFT，例如在Open Catalyst 2020数据集中发现的电位。此外，我们表明，在局部谐波能量表面上具有与目标DFT能量相同的局部谐波能量表面训练的力场也能够在50 \％的情况下找到较低或相似的能量结构。与在真实能量和力量训练的标准模型相比，这种``简易电位''的收敛步骤更少，这进一步加速了计算。它的成功说明了一个关键：即使模型具有高力误差，学到的电位也可以定位能量最小值。结构优化的主要要求仅仅是学到的电位具有正确的最小值。由于学到的电位与系统大小的速度快速且尺寸为线性，因此我们的结果开辟了快速找到大型系统基础状态的可能性。

Simulating rigid collisions among arbitrary shapes is notoriously difficult due to complex geometry and the strong non-linearity of the interactions. While graph neural network (GNN)-based models are effective at learning to simulate complex physical dynamics, such as fluids, cloth and articulated bodies, they have been less effective and efficient on rigid-body physics, except with very simple shapes. Existing methods that model collisions through the meshes' nodes are often inaccurate because they struggle when collisions occur on faces far from nodes. Alternative approaches that represent the geometry densely with many particles are prohibitively expensive for complex shapes. Here we introduce the Face Interaction Graph Network (FIGNet) which extends beyond GNN-based methods, and computes interactions between mesh faces, rather than nodes. Compared to learned node- and particle-based methods, FIGNet is around 4x more accurate in simulating complex shape interactions, while also 8x more computationally efficient on sparse, rigid meshes. Moreover, FIGNet can learn frictional dynamics directly from real-world data, and can be more accurate than analytical solvers given modest amounts of training data. FIGNet represents a key step forward in one of the few remaining physical domains which have seen little competition from learned simulators, and offers allied fields such as robotics, graphics and mechanical design a new tool for simulation and model-based planning.

Here we present a machine learning framework and model implementation that can learn to simulate a wide variety of challenging physical domains, involving fluids, rigid solids, and deformable materials interacting with one another. Our framework-which we term "Graph Network-based Simulators" (GNS)-represents the state of a physical system with particles, expressed as nodes in a graph, and computes dynamics via learned message-passing. Our results show that our model can generalize from single-timestep predictions with thousands of particles during training, to different initial conditions, thousands of timesteps, and at least an order of magnitude more particles at test time. Our model was robust to hyperparameter choices across various evaluation metrics: the main determinants of long-term performance were the number of message-passing steps, and mitigating the accumulation of error by corrupting the training data with noise. Our GNS framework advances the state-of-the-art in learned physical simulation, and holds promise for solving a wide range of complex forward and inverse problems.

从诸如蛋白质折叠或配体 - 受体结合如蛋白质 - 折叠或配体 - 受体结合等生物分子过程的长时间轨迹的低尺寸表示是基本的重要性和动力学模型，例如Markov建模，这些模型已经证明是有用的，用于描述这些系统的动力学。最近，引入了一种被称为vampnet的无监督机器学习技术，以以端到端的方式学习低维度表示和线性动态模型。 Vampnet基于Markov进程（VAMP）的变分方法，并依赖于神经网络来学习粗粒度的动态。在此贡献中，我们将Vampnet和图形神经网络组合生成端到端的框架，以从长时间的分子动力学轨迹有效地学习高级动态和亚稳态。该方法承载图形表示学习的优点，并使用图形消息传递操作来生成用于VAMPNET中使用的每个数据点以生成粗粒化表示的嵌入。这种类型的分子表示结果导致更高的分辨率和更可接定的Markov模型，而不是标准Vampnet，使得对生物分子过程更详细的动力学研究。我们的GraphVampNet方法也具有注意机制，以找到分类为不同亚稳态的重要残留物。

SchNetPack is a versatile neural networks toolbox that addresses both the requirements of method development and application of atomistic machine learning. Version 2.0 comes with an improved data pipeline, modules for equivariant neural networks as well as a PyTorch implementation of molecular dynamics. An optional integration with PyTorch Lightning and the Hydra configuration framework powers a flexible command-line interface. This makes SchNetPack 2.0 easily extendable with custom code and ready for complex training task such as generation of 3d molecular structures.

机器人中的一个重要挑战是了解机器人与由粒状材料组成的可变形地形之间的相互作用。颗粒状流量及其与刚体的互动仍然造成了几个开放的问题。有希望的方向，用于准确，且有效的建模使用的是使用连续体方法。此外，实时物理建模的新方向是利用深度学习。该研究推进了用于对刚性体驱动颗粒流建模的机器学习方法，用于应用于地面工业机器以及空间机器人（重力的效果是一个重要因素的地方）。特别是，该研究考虑了子空间机器学习仿真方法的开发。要生成培训数据集，我们利用我们的高保真连续体方法，材料点法（MPM）。主要成分分析（PCA）用于降低数据的维度。我们表明我们的高维数据的前几个主要组成部分几乎保持了数据的整个方差。培训图形网络模拟器（GNS）以学习底层子空间动态。然后，学习的GNS能够以良好的准确度预测颗粒位置和交互力。更重要的是，PCA在训练和卷展栏中显着提高了GNS的时间和记忆效率。这使得GNS能够使用具有中等VRAM的单个桌面GPU进行培训。这也使GNS实时在大规模3D物理配置（比我们的连续方法快700倍）。

与原子分辨率上可实现的分子量相比，粗晶片（CG）能够研究较大系统和更长的时间尺度的分子特性。最近已经提出了机器学习技术来学习CG粒子相互作用，即开发CG力场。分子的图表和图形卷积神经网络结构的监督训练用于通过力匹配方案来学习平均力的潜力。在这项工作中，作用在每个CG粒子上的力与以Schnet的名义相关的其本地环境的表示，该代表通过连续过滤器卷积构建。我们探讨了Schnet模型在获得液体苯的CG潜力的应用，研究模型结构和超参数对模拟CG系统的热力学，动力学和结构特性的影响，并报告和讨论所设想的挑战以及未来的指导。

计算催化和机器学习社区在开发用于催化剂发现和设计的机器学习模型方面取得了长足的进步。然而，跨越催化的化学空间的一般机器学习潜力仍然无法触及。一个重大障碍是在广泛的材料中获得访问培训数据的访问。缺乏数据的一类重要材料是氧化物，它抑制模型无法更广泛地研究氧气进化反应和氧化物电催化。为了解决这个问题，我们开发了开放的催化剂2022（OC22）数据集，包括62,521个密度功能理论（DFT）放松（〜9,884,504个单点计算），遍及一系列氧化物材料，覆盖范围，覆盖率和吸附物（ *H， *o， *o， *o， *o， *o， * n， *c， *ooh， *oh， *oh2， *o2， *co）。我们定义广义任务，以预测催化过程中适用的总系统能量，发展几个图神经网络的基线性能（Schnet，Dimenet ++，Forcenet，Spinconv，Painn，Painn，Gemnet-DT，Gemnet-DT，Gemnet-OC），并提供预先定义的数据集分割以建立明确的基准，以实现未来的努力。对于所有任务，我们研究组合数据集是否会带来更好的结果，即使它们包含不同的材料或吸附物。具体而言，我们在Open Catalyst 2020（OC20）数据集和OC22上共同训练模型，或OC22上的微调OC20型号。在最一般的任务中，Gemnet-OC看到通过微调来提高了约32％的能量预测，通过联合训练的力预测提高了约9％。令人惊讶的是，OC20和较小的OC22数据集的联合培训也将OC20的总能量预测提高了约19％。数据集和基线模型是开源的，公众排行榜将遵循，以鼓励社区的持续发展，以了解总能源任务和数据。

在分子动力学（MD）中，最近在量子机械数据上训练的神经网络（NN）潜力训练了巨大的成功。直接从实验数据学习NN电位的自上而下的方法在通过MD模拟背交时，通常面临着数值和计算挑战。我们介绍了可分辨率的轨迹重新重量（差异）方法，该方法通过MD模拟绕过差异，以对时间无关的可观察可观察。利用热力学扰动理论，避免爆炸梯度，并在自上而下学习的梯度计算中实现大约2次数量级加速。我们在基于多样化的实验可观察结果，表明了在学习NN电位学习NN电位的有效性，包括热力学，结构和机械性能的不同实验性观察。重要的是，衍射还概括了自下而上的结构粗晶体方法，例如迭代Boltzmann反转到任意潜力。呈现的方法构成了富有实验数据富集NN电位的重要里程碑，特别是当准确的自下而上数据不可用时。

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。

近年来，分子模拟数据集的出现是大数量级，更多样化的阶。这些新数据集在复杂性的四个方面有很大差异：1。化学多样性（不同元素的数量），2。系统大小（每个样品原子数），3。数据集大小（数据样本数）和4.域移动（培训和测试集的相似性）。尽管存在这些较大的差异，但在狭窄和狭窄的数据集上的基准仍然是证明分子模拟的图形神经网络（GNN）进展的主要方法，这可能是由于较便宜的训练计算要求所致。这就提出了一个问题 - GNN在小和狭窄的数据集上的进展是否转化为这些更复杂的数据集？这项工作通过首先根据大型开放催化剂2020（OC20）数据集开发Gemnet-OC模型来研究这个问题。 Gemnet-OC的表现优于OC20上的先前最新ART，同时将训练时间减少10倍。然后，我们比较了18个模型组件和超参数选择对多个数据集的性能的影响。我们发现，根据用于做出模型选择的数据集，所得模型将大不相同。为了隔离这种差异的来源，我们研究了OC20数据集的六个子集，这些子集分别测试了上述四个数据集方面的每个数据集。我们发现，OC-2M子集的结果与完整的OC20数据集良好相关，同时训练得更便宜。我们的发现挑战了仅在小型数据集上开发GNN的常见做法，但突出了通过中等尺寸的代表性数据集（例如OC-2M）以及Gemnet-oc等高效模型来实现快速开发周期和可推广结果的方法。我们的代码和预估计的模型权重是开源的。

由于难以建模彼此的材料颗粒，颗粒材料如沙子或水稻的操纵仍然是一个未解决的挑战。目前的方法倾向于简化材料动态并省略颗粒之间的相互作用。在本文中，我们建议使用基于图形的表示来模拟材料和刚体操纵它的刚体的相互作用动态。这允许规划操纵轨迹以达到材料的所需配置。我们使用图形神经网络（GNN）通过消息传递来模拟粒子交互。为了规划操纵轨迹，我们建议最小化粒状粒子分布和所需配置之间的Wasserstein距离。我们证明，在模拟和实际情况下，该方法能够将粒状材料倒入所需的配置中。