Recent advances of data-driven machine learning have revolutionized fields like computer vision, reinforcement learning, and many scientific and engineering domains. In many real-world and scientific problems, systems that generate data are governed by physical laws. Recent work shows that it provides potential benefits for machine learning models by incorporating the physical prior and collected data, which makes the intersection of machine learning and physics become a prevailing paradigm. In this survey, we present this learning paradigm called Physics-Informed Machine Learning (PIML) which is to build a model that leverages empirical data and available physical prior knowledge to improve performance on a set of tasks that involve a physical mechanism. We systematically review the recent development of physics-informed machine learning from three perspectives of machine learning tasks, representation of physical prior, and methods for incorporating physical prior. We also propose several important open research problems based on the current trends in the field. We argue that encoding different forms of physical prior into model architectures, optimizers, inference algorithms, and significant domain-specific applications like inverse engineering design and robotic control is far from fully being explored in the field of physics-informed machine learning. We believe that this study will encourage researchers in the machine learning community to actively participate in the interdisciplinary research of physics-informed machine learning.


翻译:数据驱动机器学习的最新进展使计算机视野、强化学习和许多科学和工程领域等领域发生革命性变化。在许多现实世界和科学问题中,产生数据的系统受物理法的制约。最近的工作表明,它通过纳入物理前期和收集的数据,为机器学习模型提供了潜在的好处,使机器学习和物理的交叉成为主流模式。在这项调查中,我们展示了这种学习范式,即物理一体化机器学习(PIML),它旨在建立一个模型,利用经验数据和现有物理知识来改进一系列涉及物理机制的任务的性能。我们系统地从机器学习任务、物理前期代表以及纳入物理前期的方法的三种角度来审查物理知情机器学习的最近发展情况。我们还根据实地目前的趋势提出了一些重要的开放研究问题。我们主张,将物理前不同形式的物理形式结合到模型结构、优化、推断算法以及诸如反工程设计和机器人控制等重要的领域应用,远远没有在物理知情机器学习领域进行充分探讨。我们认为,这项研究将鼓励机器学科研究的研究人员积极学习。

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