Species transport models typically combine partial differential equations (PDEs) with relations from hindered transport theory to quantify electromigrative, convective, and diffusive transport through complex nanoporous systems; however, these formulations are frequently substantial simplifications of the governing dynamics, leading to the poor generalization performance of PDE-based models. Given the growing interest in deep learning methods for the physical sciences, we develop a machine learning-based approach to characterize ion transport across nanoporous membranes. Our proposed framework centers around attention-enhanced neural differential equations that incorporate electroneutrality-based inductive biases to improve generalization performance relative to conventional PDE-based methods. In addition, we study the role of the attention mechanism in illuminating physically-meaningful ion-pairing relationships across diverse mixture compositions. Further, we investigate the importance of pre-training on simulated data from PDE-based models, as well as the performance benefits from hard vs. soft inductive biases. Our results indicate that physics-informed deep learning solutions can outperform their classical PDE-based counterparts and provide promising avenues for modelling complex transport phenomena across diverse applications.


翻译:物种传输模型通常将偏微分方程与受阻传输理论的关系相结合,以量化复杂纳米孔系统中的电迁移、对流和扩散输运;然而,这些公式往往是主导动力学的重大简化,导致基于PDE的模型泛化性能较差。鉴于物理科学领域对深度学习方法日益增长的兴趣,我们开发了一种基于机器学习的方法来表征跨纳米孔膜的离子传输。我们提出的框架以注意力增强神经微分方程为核心,通过引入基于电中性的归纳偏置,相较于传统的基于PDE的方法提高了泛化性能。此外,我们研究了注意力机制在揭示不同混合组分中具有物理意义的离子配对关系方面的作用。进一步地,我们探讨了基于PDE模型的模拟数据预训练的重要性,以及硬归纳偏置与软归纳偏置的性能优势。我们的结果表明,物理信息深度学习解决方案可以超越其经典的基于PDE的对应方法,并为跨多种应用场景的复杂传输现象建模提供了有前景的途径。

0
下载
关闭预览

相关内容

牛津大学最新《计算代数拓扑》笔记书,107页pdf
专知会员服务
44+阅读 · 2022年2月17日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
【ICML2020】图神经网络谱聚类
专知
10+阅读 · 2020年7月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
概率图模型体系:HMM、MEMM、CRF
机器学习研究会
30+阅读 · 2018年2月10日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
基于LDA的主题模型实践(三)
机器学习深度学习实战原创交流
23+阅读 · 2015年10月12日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
7+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
3+阅读 · 6月10日
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
16+阅读 · 6月10日
《利用人工智能增强军事决策》
专知会员服务
7+阅读 · 6月10日
《自动机器学习在军事数据耕耘法中的应用》
专知会员服务
9+阅读 · 6月10日
为何指挥所生存能力要求范式转变
专知会员服务
6+阅读 · 6月10日
打造“新蛛网”模式与高科技动员
专知会员服务
5+阅读 · 6月10日
“蛛网”行动一周年:远程无人机战争
专知会员服务
3+阅读 · 6月10日
相关VIP内容
牛津大学最新《计算代数拓扑》笔记书,107页pdf
专知会员服务
44+阅读 · 2022年2月17日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
【ICML2020】图神经网络谱聚类
专知
10+阅读 · 2020年7月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
概率图模型体系:HMM、MEMM、CRF
机器学习研究会
30+阅读 · 2018年2月10日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
基于LDA的主题模型实践(三)
机器学习深度学习实战原创交流
23+阅读 · 2015年10月12日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员