مرکز انفورماتیک مواد(ژنوم مواد)
مرکز انفورماتیک مواد (ژنوم مواد)
با پیشرفت کامپیوترها و ابزار محاسباتی و در نتیجه استفاده از آن‌ها در علوم و صنایع، تغییر اساسی در روش مطالعاتی پژوهشی در دنیا رخ داده و دنیا وارد عصر صنعت محاسباتی شده است. به این معنا که طراحی صنعتی به پروسه طراحی در آزمایشگاه‌های مجازی با استفاده از ابزار محاسباتی و شبیه‌سازی‌ها، تست و بهینه‌سازی آن بصورت مجازی و در نتیجه پروتوتایپ کردن، ساخت و بهینه‌سازی آن در آزمایشگاه‌های معمولی تبدیل شده است.
از طرف دیگر با پیشرفت علم اطلاعات و قدرت پردازش کامپیوترها و سرورها، علم انفورماتیک وارد حوزه‌های طراحی و ساخت صنایع گردیده است. یکی از حوزه‌های مهم آینده، مبحث طراحی مواد پیشرفته با کاربردهای خاص در صنایع مختلف از جمله ساختمان، هوافضا، دریانوردی، دفاع، خودرو، الکترونیک، نفت و گاز، رنگ و پوشش و نیز بهداشت و درمان می‌باشد که می‌تواند نقش بسزایی در اقتصاد، افزایش فرصت‌های شغلی و امنیت شغلی کارمندان ایفا کند. به این منظور ابتدا در آمریکا سپس چین، ژاپن و اروپا شروع به سرمایه‌گذاری و اولویت‌بندی تحقیقات و پروژه‌ها در این زمینه کردند. آمریکا در سال ۲۰۱۱ با هدف کشف، توسعه و ساخت مواد پیشرفته دو برابر سریع‌تر و با کسری از هزینه قبل، طرحی ملی را برای پیشرو بودن علم و اقتصاد آمریکا در زمینه توسعه مواد، سرمایه‌گذاری کرد.
به علت اهمیت مواد پیشرفته و عصر صنایع محاسباتی هوشمند و اهمیت مضاعف آن‌ها برای کشور و آینده صنایع در ایران و بالاخص یزد، طرح «انفورماتیک مواد (ژنوم مواد): تسریع طراحی مواد و نوآوری با استفاده از یادگیری ماشین و هوش مصنوعی» پیشنهاد می‌گردد. این پیشنهاد، طرحی تحول‌آفرین برای ارتقاء صنایع مادر در یزد، شامل فولاد، سرامیک، شیشه، پتروشیمی و صنعت نوپای ریل در تولید محصولات پیشرفته، کم‌حجم و با ارزش افزوده بالا ارایه می‌دهد. استان یزد با سابقه درخشان در صنایع مذکور، اکنون نیازمند تحولی اساسی برای کاهش وابستگی به نیروی کار کم مهارت، حفظ محیط زیست، افزایش سهم صنایع یزد در تولید ناخالص ملی و رقابت در بازارهای جهانی است.
این مرکز، نقشه راهی فنی با ارایه طرح‌های مشخص پژوهشی برای تبدیل این صنایع به "صنایع پیشرفته با ارزش افزوده بالا" (مانند مواد پزشکی، پتروشیمی پیشرفته و مواد هوشمند) با استفاده از "ژنوم مواد" (ترکیب مدلسازی محاسباتی، هوش مصنوعی و آزمایشهای سریع) ارایه می‌دهد.
مواد نقش مهمی در توسعه و تمدن انسان دارند. همچنین عمل‌کرد آن‌ها در شرایط عملیاتی مختلف نقش اساسی در صنایع و محصولات مصرفی نهایی ساخته شده از آن‌ها دارد. مواد پیشرفته را می‌توان مواد معمولی اصلاح شده با خواص برتر مانند سختی، چقرمگی، دوام و کشسانی در نظر گرفت. پیشرفت‌های جدید در ساخت مواد پیشرفته منجر به طراحی بسیاری از نوآوری‌های جدید، از دستگاه‌های پزشکی و رایانه‌ها گرفته تا کشتی‌های جنگی شده است. گسترش کاربرد مواد پیشرفته در صنایع مختلف مانند مراقبت‌های بهداشتی، هوافضا، خودروسازی و موارد دیگر در سراسر جهان از توسعه بازار جهانی مواد پیشرفته حمایت می‌کند. انتظار می‌رود بازار جهانی مواد پیشرفته تا سال 2024 به 102 میلیارد دلار برسد. مواد پیشرفته می‌تواند نقش مهمی در اقتصاد ایران و امنیت شغلی کارکنان در صنایع پتروشیمی، معادن، فولاد، سرامیک، هوافضا، خودروسازی، ساخت و ساز، تجهیزات پزشکی، برق و الکترونیک و صنایع انرژی داشته باشد.
قیمت بالای مواد پیشرفته و زمان مورد نیاز برای تولید اولیه آن‌ها چالشی برای توسعه بازار این مواد است. چارچوب زمانی فعلی برای طراحی مواد جدید از تحقیقات تا تولید اولیه، معمولاً بین 10 تا 20 سال است. بنابراین، کاهش هزینه و زمان در طراحی مواد و اجزای جدید برای دسترسی به بخش ارزشمند‌تر زنجیره تامین مواد ضروری است. ابزارها و شبیه‌ساز‌های محاسباتی برای طراحی و تولید مجازی مواد در حال گسترش هستند که می‌توانند زمان و هزینه طراحی مواد را به طور چشم‌گیری کاهش دهند؛ از این پدیده می‌توان به عنوان صنعت محاسباتی نام برد. تسهیل صنعت محاسباتی با علم داده و ادغام دانش نظری، نتایج تجربی و داده‌های شبیه‌سازی بر روی یک پلتفرم داده محور می‌تواند مسیری را برای تسریع در طراحی و ساخت مواد جدید ایجاد کند. این فرآیند، بخشی از صنعت محاسبات هوشمند خواهد بود.
به طور خلاصه، فرآیند طراحی مواد جدید با هر ویژگی که به دنبال آن هستیم عبارت است از: 1) تعریف مسئله، 2) بررسی در دسترس بودن ابزار محاسباتی، 3) یافتن روش مناسب، و 4) تجزیه و تحلیل نتایج. از طرف دیگر، امکانات فیزیکی از جمله ابزارها (حس‌گرها، تراشه‌ها، رایانه‌ها و سرورها)، ابزار روش شناسی (پلتفرمهای با منبع باز هوش مصنوعی و پلتفرمهای مدلسازی و شبیه‌سازی خاص) برای ایجاد نتایج ارزش‌مند مورد نیاز است. کل فرآیندی که ما در طراحی هوشمندانه مواد پیشرفته نیاز داریم، در زیر چتر انفورماتیک مواد یا ژنوم مواد گردآوری می‌شوند. ادغام طراحی مواد با علم انفورماتیک نه تنها فرآیند کشف مواد مرسوم را تغییر خواهد داد، بلکه صنایع را به صنایع محاسباتی هوشمند تبدیل خواهد کرد. این چهارمین انقلاب صنعتی در حال ظهور است که در سراسر جهان در حال گسترش است. باید بر این نکته تأکید شود که این انقلاب صنعتی مختص به مواد نمی‌باشد و پدیدآوردن بستر مناسب برای مواد پیشرفته می‌تواند در آینده زیربنایی گردد برای گسترش به سایر صنایع کشور. دولت‌های کشورهای مختلف به طور فعال در زمینه انفورماتیک مواد سرمایه‌گذاری می‌کنند. در دوران دولت اوباما در ایالات متحده، تقریباً 200 میلیون دلار برای ترویج انفورماتیک مواد هزینه شد. به دنبال این جنبش، ترویج انفورماتیک مواد به اروپا و چین گسترش یافت. در ژاپن، مؤسسه ملی علوم مواد (NIMS) و سایر سازمان‌ها تلاش‌هایی را برای ترویج انفورماتیک مواد از سال 2015 آغاز کرده‌اند. سرعت کار و سرمایه‌گذاری در این زمینه بسیار قابل توجه است.
از آن‌جا که ما با انقلاب صنعتی جدیدی روبرو هستیم، باید برنامه مشخص برای مسلح کردن خود به این علوم، آموزش نیروی انسانی و اجرایی کردن آن درکشور داشته باشیم. این امر علاوه بر نیروی انسانی و علم مربوطه، مستلزم فراهم کردن امکانات استراتژی محاسباتی هوشمند از جمله راکتور داده محاسباتی هوشمند می‌باشد تا بتوان از قدرت سیستم محاسباتی هوشمند منحصر به فردش در سیستم‌های تئوری، سخت‌افزاری، نرم‌افزاری، استانداردها و سایر کاربردهای مهم آن استفاده کرد.
در این‌جا باید بر اهمیت این طرح در سطح ملی تاکید کنیم. اگرچه مجموعه‌ای از بانک‌های داده مواد در سراسر جهان وجود دارد که داده‌های خود را با دیگران به اشتراک می‌گذارند یا می‌فروشند، اما بانک‌های داده‌های ملی مانند مجموعه داده‌های ژنوم ملی وجود دارند که به دلیل اهمیت بالای اطلاعاتی و امنیتی، دسترسی محدودی دارند. این اطلاعات عموما در صنایع دفاعی و امنیتی کاربرد دارند. علاوه براین، برای محافظت از داده‌ها، محاسبات و صنایع مرتبط، باید بسترهای فیزیکی محاسباتی بطور عمده داخلی و با امنیت بالا باشند.
فرآیند صنعت محاسباتی در ایران با توجه به تحولی که در روندهای تحقیقاتی در دنیا مشاهده شده، در دانشگاه‌های ما آغاز شده است. اما هنوز اهمیت این کار دیده نشده و نظام ساختاری لازم لحاظ نشده است. باید سرمایه‌گذاری و تشویق برای ایجاد این رشته تحصیلی با تلفیق هوش مصنوعی را در دانشگاه‌ها و صنایع خود آغاز کنیم. ما به عنوان یک پروژه ملی به حمایت حاکمیت برای شروع و تسریع این پروژه باور داریم. از جهتی دیگر، با توجه به در دسترس بودن منابع انسانی و تحقیقات باکیفیت در دانشگاه‌هایمان، می‌توانیم زمانی را که برای شروع پروژه از دست داده‌ایم با داشتن یک برنامه استراتژی بهینه متفاوت جبران کنیم.
اهداف اصلی ما برای این طرح به قرار زیر می‌باشد:
تغییر شیوه تحقیق، توسعه و اجرا از کار فردی به کار تیمی، از یک رویکرد یک‌وجهی به چند رشته‌ای با تاکید بر کاربرد هوش مصنوعی و از تحقیقات صرفاً دانشگاهی به تحقیقات با کاربرد صنعتی و کارآفرینی با هدف تولید دانش و محصولات جدید. در واقع هدف باید به جای کپی کردن سریع از به روزترین کارها به توسعه محصولات جدید و نوآورانه باشد.
توسعه ابزارهای طراحی با ادغام نظریه، آزمایش و یافته‌های محاسباتی بر روی پلتفرمهای مبتنی بر داده.
ایجاد ساختار انسانی و تیم‌های نیروی کار از یک طرف و یک‌پارچه‌سازی زیرساخت‌های نوآوری مواد از سوی دیگر.