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(Referência obtida automaticamente do Web of Science, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores.)

Explainable Machine Learning Algorithms For Predicting Glass Transition Temperatures

Texto completo
Autor(es):
Alcobaca, Edesio [1] ; Mastelini, Saulo Martiello [1] ; Botari, Tiago [1] ; Pimentel, Bruno Almeida [1] ; Cassar, Daniel Roberto [2] ; de Leon Ferreira de Carvalho, Andre Carlos Ponce [1] ; Zanotto, Edgar Dutra [2]
Número total de Autores: 7
Afiliação do(s) autor(es):
[1] Univ Sao Paulo, Inst Math & Comp Sci, Sao Carlos - Brazil
[2] Univ Fed Sao Carlos, Ctr Res Technol & Educ Vitreous Mat, Dept Mat Engn, Sao Carlos - Brazil
Número total de Afiliações: 2
Tipo de documento: Artigo Científico
Fonte: ACTA MATERIALIA; v. 188, p. 92-100, APR 15 2020.
Citações Web of Science: 0
Resumo

Modern technologies demand the development of new glasses with unusual properties. Most of the previous developments occurred by slow, expensive trial-and-error approaches, which have produced a considerable amount of data over the past 100 years. By finding patterns in such types of data, Machine Learning (ML) algorithms can extract useful knowledge, providing important insights into composition-property maps. A key step in glass composition design is to identify their physical-chemical properties, such as the glass transition temperature, T-g. In this paper, we investigate how different ML algorithms can be used to predict the T-g of glasses based on their chemical composition. For such, we used a dataset of 43,240 oxide glass compositions, each one with its assigned T-g. Besides, to assess the predictive performance obtained by ML algorithms, we investigated the possible gains by tuning the hyperparameters of these algorithms. The results show that the best ML algorithm for predicting T-g is the Random Forest (RF). One of the main challenges in this task is the prediction of extreme T-g values. To do this, we assessed the predictive performance of the investigated ML algorithms in three T-g intervals. For extreme T-g values (<= 450 K and >= 1150 K), the top-performing algorithm was the k-Nearest Neighbours, closely followed by RF. The induced RF model predicted extreme values of T-g with a Relative Deviation (RD) of 3.5% for glasses with high T-g (>= 1150 K), and RD of 7.5% for glasses with very low T-g (<= 450 K). Finally, we propose a new visual approach to explain what our RF model learned, highlighting the importance of each chemical element to obtain glasses with extreme T-g. This study can be easily expanded to predict other composition-property combinations and can advantageously replace empirical approaches for developing novel glasses with relevant properties and applications. (C) 2020 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved. (AU)

Processo FAPESP: 17/12491-0 - Processos cinéticos em vidros e novas formulações vítreas via aprendizagem de máquina
Beneficiário:Daniel Roberto Cassar
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Processo FAPESP: 13/07375-0 - CeMEAI - Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria
Beneficiário:Francisco Louzada Neto
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão - CEPIDs
Processo FAPESP: 18/07319-6 - Mineração multi-alvos em fluxos de dados
Beneficiário:Saulo Martiello Mastelini
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
Processo FAPESP: 17/06161-7 - Interpretabilidade de redes profundas
Beneficiário:Tiago Botari
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Processo FAPESP: 17/20265-0 - Uso de meta-aprendizado para seleção de algoritmos em problemas de agrupamento
Beneficiário:Bruno Almeida Pimentel
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Processo FAPESP: 13/07793-6 - CEPIV - Centro de Ensino, Pesquisa e Inovação em Vidros
Beneficiário:Edgar Dutra Zanotto
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão - CEPIDs
Processo FAPESP: 18/14819-5 - Aprendizado de máquina automático: aprendendo a aprender
Beneficiário:Edesio Pinto de Souza Alcobaça Neto
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto