材料基因组计划

材料基因组计划（英語：Materials Genome Initiative，縮寫：MGI）是美國於2011年提出的一項跨學科國家計畫，旨在透過高通量計算、高通量實驗與材料大數據的融合，加速新材料從設計到應用的研發流程，降低成本並提升創新效率。

背景與提出

2011年6月24日，美國總統巴拉克·歐巴馬在卡內基·梅隆大學演講中提出「材料基因组计划」，作為先進製造業夥伴關係的一部分，倡導以計算與數據驅動的材料研發模式，配合標準化的資料與工具，縮短材料研發週期。

核心理念與方法

計畫的核心通常概括為「三高一數」：

• 高通量計算：利用第一性原理（DFT）、分子動力學與機器學習等方法，批量獲取結構—性質—性能關係；
• 高通量實驗與表徵：建立自動化、標準化的快速製備與測試管線，結合同步輻射與原位技術；
• 材料大數據與知識庫：構建互操作的數據標準與元數據體系，支撐數據驅動模型與知識發現。

上述理念常與「整合計算材料工程」（ICME）結合，將材料—製程—結構—性能全鏈條貫通，形成可對接工程放大的工作流。

目標與影響

MGI 的目標包括縮短研發週期、降低研發成本與提升成功率，推動工具與數據標準共享。在能源材料（電池、催化）、高分子材料、結構合金與功能氧化物等領域，該計畫促進了設計導向的創新閉環。

國際與中國進展

隨著 MGI 推進，國際上相繼建立材料資料庫與加速器平台。中國提出面向重點產業的材料基因工程路線，建設高通量計算/實驗平台與材料數據中心，在能源材料、高分子材料、航空航天材料等形成示範。

研究範式與技術組件

• 數據標準與元數據：可機讀、可追溯的樣品—製程—表徵—性能記錄；
• 多尺度建模：量子到連續體的跨尺度耦合，聯結結構—製程—性能；
• 機器學習與自動化：主動學習、貝葉斯最佳化與機器人物料平台，構建自動化閉環；
• 開放資料庫與工具鏈：結構—性質資料庫、工作流管理與可重現性；
• 驗證與放大：實驗室到中試的工藝路徑與品質保證（QA/QC）對接。

應用領域示例

• 高分子與彈性體：計算指導配方設計與結構調控，快速篩選光學高分子與高性能彈性體；
• 能源與儲能材料：電極與電解質的成分—結構—性能關係建模與高通量篩選，結合原位表徵與數據同化；
• 結構材料與合金：面向強韌化與高熵合金的組分設計與相圖計算，配合高通量熱處理與力學測試。

批評與挑戰

存在數據質量與可重現性、跨尺度模型可移植性、資料開放與知識產權治理、交叉人才與平台投入等挑戰。多篇綜述呼籲以標準體系與共性平台為抓手，形成面向產業需求的開放協同生態。

參見

• 整合計算材料工程
• 高通量實驗
• 機器學習
• 材料數據庫