Molecular dynamics (MD) simulation is the workhorse of various scientific domains but is limited by high computational cost. Learning-based force fields have made major progress in accelerating ab-initio MD simulation but are still not fast enough for many real-world applications that require long-time MD simulation. In this paper, we adopt a different machine learning approach where we coarse-grain a physical system using graph clustering, and model the system evolution with a very large time-integration step using graph neural networks. A novel score-based GNN refinement module resolves the long-standing challenge of long-time simulation instability. Despite only trained with short MD trajectory data, our learned simulator can generalize to unseen novel systems and simulate for much longer than the training trajectories. Properties requiring 10-100 ns level long-time dynamics can be accurately recovered at several-orders-of-magnitude higher speed than classical force fields. We demonstrate the effectiveness of our method on two realistic complex systems: (1) single-chain coarse-grained polymers in implicit solvent; (2) multi-component Li-ion polymer electrolyte systems.


翻译:分子动态模拟(MD)是各种科学领域的工作马匹,但受到高计算成本的限制。基于学习的力量场在加速 ab-initio MD 模拟方面已经取得重大进展,但对于许多需要长期MD模拟的实际应用来说仍然不够快。在本文中,我们采用了不同的机器学习方法,我们用图形组合来粗化一个物理系统,并且利用图形神经网络用非常大的时间整合步骤来模拟系统演进。一个新的基于分数的GNN精炼模块解决了长期模拟不稳定的长期挑战。尽管我们学习的模拟器只受过短期MD轨迹数据的培训,但我们的模拟器可以向看不见的新系统和模拟进行比培训轨迹长得多的模拟。需要10-100ns级长期动态的属性可以精确地在几级高于古典力场的磁力系统中恢复。我们用两种现实的复杂系统展示了我们的方法的有效性:(1) 隐含溶剂中的单链混凝聚合物;(2) 多组件激光聚合电解系统。

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