論文の概要: Generative Inverse Design of Metamaterials with Functional Responses by Interpretable Learning

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2401.00003v5
• Date: Sun, 29 Sep 2024 20:06:10 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-10-01 21:58:36.657157
• Title: Generative Inverse Design of Metamaterials with Functional Responses by Interpretable Learning
• Title（参考訳）: 解釈型学習による機能的応答をもつメタマテリアルの逆設計
• Authors: Wei "Wayne" Chen, Rachel Sun, Doksoo Lee, Carlos M. Portela, Wei Chen,
• Abstract要約: ランダムフォレストに基づく解釈可能生成逆設計(RIGID)を提案する。 RIGIDは、オンデマンド機能挙動を持つメタマテリアル設計を高速に生成するための単発逆設計法である。 RIGIDの音響的・光学的メタマテリアル設計問題に対する評価を行った。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.931881794708454
• License:
• Abstract: Metamaterials with functional responses can exhibit varying properties under different conditions (e.g., wave-based responses or deformation-induced property variation). This work addresses the rapid inverse design of such metamaterials to meet target qualitative functional behaviors, a challenge due to its intractability and non-unique solutions. Unlike data-intensive and non-interpretable deep-learning-based methods, we propose the Random-forest-based Interpretable Generative Inverse Design (RIGID), a single-shot inverse design method for fast generation of metamaterial designs with on-demand functional behaviors. RIGID leverages the interpretability of a random forest-based "design$\rightarrow$response" forward model, eliminating the need for a more complex "response$\rightarrow$design" inverse model. Based on the likelihood of target satisfaction derived from the trained random forest, one can sample a desired number of design solutions using Markov chain Monte Carlo methods. We validate RIGID on acoustic and optical metamaterial design problems, each with fewer than 250 training samples. Compared to the genetic algorithm-based design generation approach, RIGID generates satisfactory solutions that cover a broader range of the design space, allowing for better consideration of additional figures of merit beyond target satisfaction. This work offers a new perspective on solving on-demand inverse design problems, showcasing the potential for incorporating interpretable machine learning into generative design under small data constraints.
• Abstract（参考訳）: 機能的応答を持つメタマテリアルは、異なる条件(例えば、波動応答や変形誘起特性変動)下で様々な特性を示すことができる。 この研究は、対象の定性的機能的振る舞いを満たすために、そのようなメタマテリアルの迅速な逆設計に対処する。 データ集約型・非解釈型深層学習法とは違って,オンデマンド機能を有するメタマテリアルデザインを高速に生成するための単一ショット逆設計法であるRandom-forest-based Interpretable Generative Inverse Design (RIGID)を提案する。 RIGIDはランダムフォレストベースの"design$\rightarrow$response"フォワードモデルの解釈可能性を活用し、より複雑な"response$\rightarrow$design"逆モデルを必要としない。 訓練されたランダムフォレストから得られる目標満足度の確率に基づいて、マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いて所望の数の設計解をサンプリングすることができる。 RIGIDの音響的・光学的メタマテリアル設計問題に対する評価を行った。 遺伝的アルゴリズムに基づくデザイン生成手法と比較すると、RIGIDは設計空間の広い範囲をカバーする満足なソリューションを生成し、ターゲットの満足度を超えてさらなるメリットの数値を考慮できる。 この研究は、オンデマンドの逆設計問題を解決するための新しい視点を提供し、小さなデータ制約の下で生成設計に解釈可能な機械学習を組み込む可能性を示している。

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