Forbedring af menneske-data-interaktion for at fremskynde innovation af nanomaterialer

Data er kun så godt som menneskers evne til at analysere og gøre brug af dem.

I materialeforskning, Evnen til at analysere enorme mængder af data - ofte genereret på nanoskala - for at sammenligne materialers egenskaber er nøglen til opdagelse og til at opnå industriel brug. Jeffrey M. Rickman, professor i materialevidenskab og fysik ved Lehigh University, sammenligner denne proces med slikfremstilling:

"Hvis du søger at skabe en slik, der har, sige, det ideelle niveau af sødme, du skal være i stand til at sammenligne forskellige potentielle ingredienser og deres indvirkning på sødme for at lave den ideelle endelige slik, siger Rickman.

I flere årtier, nanomaterialer - stof, der er så lille, at det måles i nanometer (en nanometer =en milliardtedel af en meter) og kan manipuleres på atomare skala - har overgået konventionelle materialer i styrke, ledningsevne og andre nøgleegenskaber. En hindring for at opskalere produktionen er det faktum, at forskerne mangler værktøjerne til fuldt ud at bruge data - ofte i terabyte, eller billioner af bytes – for at hjælpe dem med at karakterisere materialerne – et nødvendigt skridt mod at opnå "det ideelle endelige slik."

Hvad hvis sådanne data let kunne tilgås og manipuleres af videnskabsmænd for at finde svar i realtid på forskningsspørgsmål?

Løftet om materialer som DNA-indpakkede enkeltvæggede kulstofnanorør kunne realiseres. Carbon nanorør er et rørformet materiale, der kan måle så lille som en milliarddel af en meter, eller omkring 10, 000 gange mindre end et menneskehår. Dette materiale kan revolutionere lægemiddellevering og medicinsk sansning med dets unikke evne til at trænge ind i levende celler.

Et nyt papir tager et skridt i retning af at realisere løftet om sådanne materialer. Forfattet af Rickman, artiklen beskriver en ny måde at kortlægge materialeegenskabsforhold, der er meget multidimensionelle i naturen. Rickman anvender metoder til dataanalyse i kombination med en visualiseringsstrategi kaldet parallelle koordinater for bedre at repræsentere multidimensionelle materialedata og for at udtrække nyttige relationer mellem egenskaber. Artiklen, "Dataanalyse og parallelkoordinerede materialeegenskabsdiagrammer, " er blevet offentliggjort i npj Beregningsmaterialer , et Nature Research-tidsskrift.

"I avisen, " siger Rickman, "Vi illustrerer nytten af ​​denne tilgang ved at give en kvantitativ måde at sammenligne metalliske og keramiske egenskaber på - selvom tilgangen kan anvendes på alle materialer, du ønsker at sammenligne."

Det er det første papir, der kommer ud af Lehighs Nano/Human Interface Presidential Engineering Research Initiative, et tværfagligt forskningsinitiativ, der foreslår at udvikle en menneske-maskine-grænseflade for at forbedre videnskabsmænds evne til at visualisere og fortolke de enorme mængder data, der genereres af videnskabelig forskning. Det blev kickstartet af en institutionel investering på $3 millioner, der blev annonceret sidste år.

Leder af initiativet er Martin P. Harmer, professor i materialevidenskab og teknik. Ud over Rickman, andre ledende fakultetsmedlemmer inkluderer Anand Jagota, afdelingsformand for bioteknik; Daniel P. Lopresti, afdelingsformand for datalogi og teknik og direktør for Lehigh's Data X Initiative; og Catherine M. Arrington, lektor i psykologi.

"Flere forskningsuniversiteter foretager store investeringer i big data, " siger Rickman. "Vores initiativ bringer et relativt nyt aspekt ind:det menneskelige element."

Ifølge Arrington, Nano/Human Interface-initiativet lægger vægt på det menneskelige, fordi den succesfulde udvikling af nye værktøjer til datavisualisering og -manipulation nødvendigvis må omfatte en overvejelse af videnskabsmandens kognitive styrker og begrænsninger.

"De adfærds- og kognitionsvidenskabelige aspekter af Nano/Human Interface-initiativet er todelt, " siger Arrington. "Først, en human-factors forskningsmodel giver mulighed for analyse af det aktuelle arbejdsmiljø og klare anbefalinger til teamet for udvikling af nye værktøjer til videnskabelig undersøgelse. Sekund, en kognitiv psykologisk tilgang er nødvendig for at udføre grundlæggende videnskabelig forskning i de mentale repræsentationer og operationer, der kan være entydigt udfordret i undersøgelsen af ​​nanomaterialer."

Rickmans foreslåede metode bruger parallelle koordinater, som er en metode til at visualisere data, der gør det muligt at spotte outliers eller mønstre baseret på relaterede metriske faktorer. Diagrammer med parallelle koordinater kan hjælpe med at pirre disse mønstre.

Udfordringen, siger Rickman, ligger i at fortolke det, du ser.

"Hvis du plotter punkter i to dimensioner ved hjælp af X- og Y-akser, du kan se klynger af punkter, og det ville fortælle dig noget eller give et fingerpeg om, at materialerne måske deler nogle egenskaber, " forklarer han. "Men, hvad hvis klyngerne er i 100 dimensioner?"

Ifølge Rickman, der er værktøjer, der kan hjælpe med at skære ned på antallet af dimensioner og eliminere ikke-relevante dimensioner for at hjælpe en bedre med at identificere disse mønstre. I dette arbejde, han anvender sådanne værktøjer til materialer med succes.

"De forskellige dimensioner eller akser beskriver forskellige aspekter af materialerne, såsom kompressibilitet og smeltepunkt, " han siger.

Diagrammerne beskrevet i papiret forenkler beskrivelsen af ​​højdimensionel geometri, muliggør dimensionsreduktion og identifikation af væsentlige egenskabskorrelationer og understreger skel mellem forskellige materialeklasser.

Fra avisen:"I dette arbejde, vi illustrerede nytten af ​​at kombinere dataanalysemetoderne med en parallel koordinatrepræsentation for at konstruere og fortolke multidimensionelle materialeegenskabsdiagrammer. Denne konstruktion, sammen med tilhørende materialeanalyse, tillader identifikation af vigtige ejendomskorrelationer, kvantificerer rollen som ejendomsklynger, fremhæver effektiviteten af ​​dimensionsreduktionsstrategier, giver en ramme for visualisering af materialeklasse-konvolutter og letter materialevalg ved at vise multidimensionelle egenskabsbegrænsninger. I betragtning af disse muligheder, denne tilgang udgør et kraftfuldt værktøj til at udforske komplekse ejendomsforhold, der kan guide materialevalg."

Vender tilbage til metaforen om slikfremstilling, Rickman siger:"Vi leder efter de bedste metoder til at sætte slik sammen for at lave det, vi ønsker, og denne metode kan være en måde at gøre det på."

Ny grænse, nye tilgange

At skabe en køreplan for at finde de bedste metoder er målet for en 2½-dages, international workshop kaldet "Workshop on the Convergence of Materials Research and Multi-Sensory Data Science", der afholdes af Lehigh University i samarbejde med Ohio State University.

Workshoppen - som finder sted på Bear Creek Mountain Resort i Macungie, PA fra 11-13 juni, 2018 – vil samle videnskabsmænd fra allierede discipliner inden for grund- og samfundsvidenskab og ingeniørvidenskab for at løse mange spørgsmål involveret i multisensorisk datavidenskab som anvendt på problemer i materialeforskning.

"Vi håber, at et resultat af workshoppen vil være dannelsen af ​​igangværende partnerskaber for at hjælpe med at udvikle en køreplan for at etablere et fælles sprog og en ramme for fortsat dialog for at fremme denne indsats for at fremme multisensorisk datavidenskab, " siger Rickman, hvem er hovedefterforsker på et tilskud fra National Science Foundation (NSF), tildelt af afdelingen for materialeforskning til støtte for workshoppen.

co-hovedefterforsker, Nancy Carlisle, adjunkt ved Lehighs Institut for Psykologi, siger, at konferencen vil samle komplementære ekspertiseområder for at give mulighed for nye perspektiver og veje frem.

"Når mennesker behandler data, det er vigtigt at erkende begrænsninger hos mennesker såvel som data, " siger Carlisle. "Indsamling af information fra kognitiv videnskab kan hjælpe med at forfine de måder, vi præsenterer data på for mennesker og hjælpe dem med at danne bedre repræsentationer af informationen indeholdt i dataene. Kognitionsforskere er uddannet til at forstå grænserne for menneskelig mental bearbejdning – det er det, vi gør! At tage disse begrænsninger i betragtning, når man udtænker nye måder at præsentere data på, er afgørende for succes."

Tilføjer Rickman:"Vi er ved en ny frontlinje inden for materialeforskning, som kalder på nye tilgange og partnere til at kortlægge vejen frem."