Recent advances in scientific machine learning have shed light on the modeling of pattern-forming systems. However, simulations of real patterns still incur significant computational costs, which could be alleviated by leveraging large image datasets. Physics-informed machine learning and operator learning are two new emerging and promising concepts for this application. Here, we propose "Phase-Field DeepONet", a physics-informed operator neural network framework that predicts the dynamic responses of systems governed by gradient flows of free-energy functionals. Examples used to validate the feasibility and accuracy of the method include the Allen-Cahn and Cahn-Hilliard equations, as special cases of reactive phase-field models for nonequilibrium thermodynamics of chemical mixtures. This is achieved by incorporating the minimizing movement scheme into the framework, which optimizes and controls how the total free energy of a system evolves, instead of solving the governing equations directly. The trained operator neural networks can work as explicit time-steppers that take the current state as the input and output the next state. This could potentially facilitate fast real-time predictions of pattern-forming dynamical systems, such as phase-separating Li-ion batteries, emulsions, colloidal displays, or biological patterns.


翻译:科学机器学习的最近进展揭示了模式成型系统的建模,然而,真实模式的模拟仍然产生巨大的计算成本,可以通过利用大型图像数据集加以缓解。物理知情的机器学习和操作者学习是这一应用的两个新兴和有希望的新概念。在这里,我们提议“Squal-Fire DeepONet”,一个物理知情的操作者神经网络框架,预测由自由能源功能梯度流管理的系统的动态反应。用来验证该方法的可行性和准确性的例子包括Allen-Cahn和Cahn-Hilliard等方程式,作为化学混合物无二次平衡热力反应的相位模型的特殊案例。这是通过将最大限度减少运动计划纳入框架来实现的,这个框架优化和控制一个系统的全部自由能量如何演化,而不是直接解决治理方程式。受过训练的操作者神经网络可以作为明确的时间步骤运作,以当前状态作为输入和输出下一个状态。这可能有助于快速实时预测动态成型的动态系统,例如相位式、制动式、制动成式、制动成成式模型,例如生物成成成成型成型成型、制动成式成式成型成型、制成型成型成型成型成型成型成型模型。</s>

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