Рынок материальной информатики — глобальный размер отрасли, доля, тенденции, возможности и прогноз, сегментированный по области применения (химия и фармацевтика, материаловедение, производство, пищевая промышленность, энергетика и другие), по типу материала (элементы, химикаты и другие), по технологии (цифровой отжиг, глубокий тензор, статистический анализ, генетический алгоритм), по региону и кон

Обзор рынка

Глобальный рынок информатики материалов оценивался в 127,98 млн долларов США в 2023 году и, как ожидается, продемонстрирует впечатляющий рост в прогнозируемый период со среднегодовым темпом роста 12,48% до 2029 года. Глобальный рынок информатики материалов переживает быстрый рост, обусловленный растущим спросом на передовые материалы в различных отраслях, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, здравоохранение и электроника. Информатика материалов использует науку о данных, машинное обучение и искусственный интеллект для ускорения открытия, разработки и внедрения новых материалов. Эта междисциплинарная область объединяет материаловедение с информатикой для анализа и прогнозирования свойств материалов, что приводит к более эффективным и экономичным производственным процессам. Одним из основных факторов, движущих рынок, является растущая потребность в инновационных материалах, которые обеспечивают превосходную производительность, устойчивость и сниженное воздействие на окружающую среду. Поскольку отрасли стремятся разрабатывать легкие, более прочные и долговечные материалы, принятие информатики материалов становится необходимым.

Ключевые игроки на рынке вкладывают значительные средства в исследования и разработки, чтобы использовать потенциал больших данных и вычислительных инструментов для инноваций в области материалов. Компании также формируют стратегические партнерства с академическими учреждениями и поставщиками технологий, чтобы оставаться на переднем крае достижений в этой области. Правительственные инициативы и финансирование, направленные на продвижение передовых производственных технологий, стимулируют рост рынка. Например, различные национальные лаборатории и исследовательские организации сотрудничают для создания обширных баз данных материалов, к которым отрасли могут получить доступ для ускорения инноваций.

Ключевые драйверы рынка

Технологические достижения в области науки о данных и искусственного интеллекта

Интеграция науки о данных, машинного обучения (МО) и искусственного интеллекта (ИИ) в материаловедение производит революцию в этой области, обеспечивая беспрецедентные достижения и эффективность. Традиционно открытие и разработка новых материалов в значительной степени зависели от экспериментальных испытаний и метода проб и ошибок, которые были как трудоемкими, так и дорогостоящими. Однако с появлением передовых вычислительных методов эта парадигма смещается в сторону более ориентированной на данные и предсказательной методологии.

Алгоритмы ИИ и МО способны быстро анализировать огромные объемы данных, выявляя закономерности и корреляции, которые часто незаметны для исследователей-людей. Эти технологии могут обрабатывать и интерпретировать сложные наборы данных, полученные из различных источников, включая экспериментальные результаты, теоретические расчеты и исторические данные. Таким образом, они могут с высокой точностью предсказывать свойства материалов, такие как прочность, проводимость и термическая стабильность. Эта предсказательная сила имеет решающее значение при скрининге потенциальных материалов до того, как они подвергнутся дорогостоящей и длительной экспериментальной проверке.

Одним из наиболее преобразующих приложений ИИ и МО в материаловедении является моделирование на молекулярном уровне. Исследователи могут создавать подробные виртуальные модели материалов, что позволяет им моделировать и наблюдать поведение в различных условиях. Эта возможность позволяет исследовать широкий спектр составов и структур материалов, ускоряя открытие оптимальных материалов для конкретных применений. Например, в фармацевтической промышленности такое моделирование может предсказывать, как новые соединения взаимодействуют с биологическими системами, ускоряя процесс открытия лекарств.

Вычислительный подход, предоставляемый наукой о данных и ИИ, радикально сокращает время, необходимое для открытия и разработки материалов. Традиционные экспериментальные методы могут занять годы или даже десятилетия, чтобы вывести новые материалы на рынок. Напротив, методы, основанные на ИИ, могут сократить этот период до месяцев или даже недель. Экономия средств существенна, поскольку на физические эксперименты тратится меньше ресурсов. Эта эффективность не только ускоряет инновации, но и делает разработку современных материалов более экономически выгодной.

Рост проблем устойчивости и экологии

Растущее понимание экологических проблем и насущная потребность в устойчивых методах существенно влияют на сферу материаловедения. Отрасли по всему миру все больше отдают приоритет экологически чистым материалам с меньшим углеродным следом для решения проблемы изменения климата и истощения ресурсов. Этот сдвиг в сторону устойчивости обусловлен как нормативным давлением, так и потребительским спросом на более экологичные продукты. Информатика материалов играет решающую роль в открытии и разработке устойчивых материалов. Используя науку о данных, машинное обучение (МО) и искусственный интеллект (ИИ), исследователи могут анализировать обширные наборы данных для выявления материалов с желаемыми экологическими свойствами. Этот подход позволяет исследовать более широкий спектр материалов, включая те, которые могли быть упущены из виду при использовании традиционных методов. Возможность прогнозировать и оптимизировать свойства материалов с помощью вычислительных моделей ускоряет выявление устойчивых альтернатив.

Одним из ключевых преимуществ информатики материалов является ее способность оптимизировать материалы для определенных экологических критериев. Исследователи могут моделировать воздействие жизненного цикла материалов, включая их энергопотребление, выбросы парниковых газов и пригодность к переработке. Этот комплексный анализ помогает разрабатывать материалы, которые не только соответствуют требованиям к производительности, но и минимизируют вред окружающей среде. Например, в упаковочной промышленности информатика материалов может привести к созданию биоразлагаемых пластиков или материалов с уменьшенной зависимостью от ископаемого топлива.

Информатика материалов помогает отраслям соблюдать строгие экологические нормы и достигать целей устойчивого развития. Правительства и регулирующие органы все чаще вводят ограничения на выбросы, отходы и использование опасных веществ. Используя информатику материалов, компании могут гарантировать, что их материалы и продукты соответствуют этим нормам, избегая потенциальных штрафов и ущерба репутации. Внедрение устойчивых материалов повышает корпоративную ответственность и соответствует растущему предпочтению потребителей к экологически сознательным брендам. Стремление к более экологичным технологиям в значительной степени зависит от разработки устойчивых материалов. Информатика материалов не только способствует этому развитию, но и способствует инновациям в различных секторах, таких как возобновляемые источники энергии, электромобили и экологичные строительные материалы. Например, развитие высокопроизводительных аккумуляторов для электромобилей зависит от открытия материалов, которые являются одновременно эффективными и устойчивыми. Аналогичным образом, строительная отрасль получает выгоду от новых материалов, которые снижают потребление энергии и выбросы углерода.

Основные проблемы рынка

Качество и доступность данных

Одной из основных проблем на рынке материальной информатики является качество и доступность данных. Материальная информатика в значительной степени опирается на большие наборы данных для обучения алгоритмов машинного обучения (ML) и управления моделями ИИ. Однако получение высококачественных, всеобъемлющих данных может быть сложным. Данные из разных источников часто различаются по формату, полноте и точности, что затрудняет эффективную интеграцию и анализ. Частные данные, хранящиеся в частных компаниях, часто недоступны, что ограничивает объем найденной информации.

Неполные или некачественные данные могут привести к неточным прогнозам и ненадежным моделям, подрывая преимущества материальной информатики. Например, несоответствия в экспериментальных условиях, методах измерения или методах регистрации данных могут привести к тому, что наборы данных будет трудно согласовать. Такая фрагментация не только затрудняет обучение надежных моделей МО, но и снижает общую уверенность в прогностических возможностях этих моделей. Решение этой проблемы требует стандартизированных методов сбора данных и улучшенных методов обмена данными в отрасли. Стандартизация может гарантировать, что данные собираются единообразно, что упрощает объединение и сравнение наборов данных из разных источников. Это может включать разработку общеотраслевых протоколов для регистрации и отчетности данных, а также создание общих форматов для хранения и обмена данными.

Расширенное сотрудничество между академическими кругами, промышленностью и правительством может способствовать лучшей интеграции и качеству данных. Совместные усилия могут привести к созданию всеобъемлющих, высококачественных баз данных, которые будут доступны всем заинтересованным сторонам. Например, государственно-частное партнерство может помочь преодолеть разрыв между частными данными и общедоступной информацией, обогащая наборы данных, найденные для материальной информатики.

Пробелы в междисциплинарных навыках

Материальная информатика представляет собой конвергенцию нескольких дисциплин, включая материаловедение, науку о данных и вычислительное моделирование. Однако спрос на специалистов с опытом во всех этих областях намного превышает текущее предложение, что приводит к значительным пробелам в междисциплинарных навыках в рабочей силе. Традиционно материаловеды были сосредоточены на экспериментальных методах синтеза и характеристики материалов, в то время как вычислительные ученые в основном работали над анализом данных и моделированием. Для преодоления разрыва между этими дисциплинами требуются люди с глубоким пониманием как концепций материаловедения, так и передовых методов анализа данных.

Нехватка специалистов с междисциплинарными навыками создает ряд проблем для эффективного внедрения и использования технологий материальной информатики. Без адекватной экспертизы организации могут испытывать трудности с разработкой точных прогностических моделей или эффективной интерпретацией данных. Это может привести к неоптимальным процессам проектирования и разработки материалов, что ограничит потенциал для инноваций и прогресса в этой области. Для устранения междисциплинарного разрыва в навыках требуются целевые образовательные и учебные программы, которые снабжают специалистов необходимыми знаниями и опытом. Университеты и учебные заведения могут разрабатывать междисциплинарные учебные программы, которые объединяют курсы по материаловедению, науке о данных и вычислительному моделированию. Партнерство между промышленностью и академическими кругами может предоставить возможности практического обучения и реальный опыт начинающим профессионалам в области материальной информатики.

Основные тенденции рынка

Появление облачных платформ

Появление облачных платформ и программных решений кардинально преобразует ландшафт материальной информатики, обеспечивая беспрецедентную эффективность и возможности. Эти платформы легко интегрируются в существующие рабочие процессы, повышая общую производительность и потенциал сотрудничества исследовательских и опытно-конструкторских групп. Облачные решения, облегчая обмен данными в реальном времени, совместную работу и более точное моделирование, революционизируют то, как материалы обнаруживаются, разрабатываются и оптимизируются.

Облачные платформы позволяют плавно интегрировать материальную информатику в рабочие процессы исследовательских и опытно-конструкторских групп. Эта интеграция имеет решающее значение для обеспечения обмена данными в реальном времени и совместной работы между географически распределенными группами. Исследователи могут получать доступ и вносить свой вклад в централизованную базу данных, гарантируя, что данные будут постоянно обновляться и будут доступны всем заинтересованным сторонам. Это сотрудничество в реальном времени ускоряет темпы инноваций, поскольку идеи и открытия могут быстро передаваться и развиваться. Одним из наиболее существенных преимуществ облачных решений является их масштабируемость. Исследователи и инженеры могут масштабировать свои вычислительные ресурсы в зависимости от сложности и требований своих проектов. Такая гибкость устраняет необходимость в обширной локальной инфраструктуре, которая может быть дорогостоящей и сложной в обслуживании. Облачные платформы предоставляют доступ к высокопроизводительным вычислительным ресурсам, позволяя выполнять сложные симуляции и анализы, которые в противном случае были бы непрактичными. Эта масштабируемость гарантирует, что материальная информатика может применяться в широком спектре проектов, от мелкомасштабных исследований до крупномасштабных промышленных приложений.

Облачные платформы демократизируют доступ к передовым вычислительным инструментам, делая их доступными для более широкого круга пользователей, включая малые и средние предприятия (МСП) и академические учреждения. Такая доступность снижает барьеры для входа и способствует более инклюзивной инновационной экосистеме. Модель оплаты по мере использования облачных сервисов является экономически эффективной, позволяя организациям более эффективно управлять своими бюджетами, платя только за используемые ресурсы. Такая экономическая эффективность особенно выгодна для стартапов и научно-исследовательских учреждений с ограниченным финансированием.

Простота доступа и улучшенная вычислительная мощность, предоставляемые облачными платформами, стимулируют внедрение материальной информатики в различных отраслях. Такие секторы, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, здравоохранение и электроника, используют эти платформы для ускорения разработки передовых материалов. Например, аэрокосмическая промышленность использует облачное моделирование для проектирования легких, но прочных материалов для самолетов, в то время как сектор здравоохранения исследует новые биоматериалы для медицинских приложений. Широкая применимость облачной информатики материалов подчеркивает ее преобразующий потенциал во многих областях.

Растущий спрос на передовые материалы

Такие отрасли, как аэрокосмическая, автомобильная, электронная и здравоохранение, постоянно ищут передовые материалы, которые обеспечивают превосходную производительность, долговечность и устойчивость. Эти передовые материалы имеют решающее значение для стимулирования инноваций и поддержания конкурентного преимущества на все более требовательных рынках. Информатика материалов играет ключевую роль в удовлетворении этих потребностей, способствуя быстрой разработке материалов со специфическими оптимизированными свойствами. В аэрокосмической промышленности существует постоянный спрос на материалы, которые являются легкими, но невероятно прочными и термостойкими. Такие материалы необходимы для повышения топливной эффективности, сокращения выбросов и повышения общей производительности и безопасности самолетов. Информатика материалов помогает исследователям находить и оптимизировать сплавы и композиты, которые соответствуют этим строгим требованиям. Используя науку о данных и искусственный интеллект, аэрокосмическая промышленность может разрабатывать материалы, которые выдерживают экстремальные условия, при этом минимизируя вес.

Автомобильный сектор также уделяет большое внимание передовым материалам для повышения топливной экономичности и снижения веса транспортных средств. Легкие материалы, такие как усовершенствованные высокопрочные стали, алюминиевые сплавы и композиты из углеродного волокна, имеют решающее значение для достижения этих целей. Материальная информатика ускоряет идентификацию и разработку таких материалов, прогнозируя их свойства и производительность с помощью вычислительных моделей. Эта возможность позволяет производителям автомобилей быстрее внедрять инновации, выводя на рынок более эффективные и экологически чистые автомобили.

В электронной промышленности спрос на материалы с высокой теплопроводностью и электроизоляционными свойствами имеет первостепенное значение. Эти материалы имеют жизненно важное значение для разработки более мелких, быстрых и надежных электронных устройств. Материальная информатика позволяет исследовать новые материалы, которые могут эффективно рассеивать тепло, сохраняя при этом электроизоляцию, тем самым поддерживая миниатюризацию и повышение производительности электронных компонентов. Сектор здравоохранения ищет передовые материалы для медицинских устройств, имплантатов и систем доставки лекарств, которые являются биосовместимыми, долговечными и способны функционировать в сложных биологических средах. Материальная информатика помогает в открытии биоматериалов, которые соответствуют этим критериям, способствуя инновациям в области медицинских технологий и улучшая результаты лечения пациентов. Например, исследователи могут использовать вычислительные модели для проектирования материалов для протезов, которые одновременно легкие и очень прочные.

Одним из основных преимуществ информатики материалов является ее способность ускорять разработку и настройку материалов. Традиционные методы открытия материалов часто медленные и ресурсоемкие, включающие обширные пробы и ошибки. Напротив, информатика материалов использует передовые алгоритмы и анализ данных для быстрого прогнозирования свойств и производительности новых материалов. Эта прогностическая способность значительно сокращает время и затраты на разработку, позволяя отраслям быстро реагировать на меняющиеся требования рынка и технологические достижения.

Сегментарные идеи

Прикладные идеи

Исходя из сферы применения, в 2023 году энергетический сегмент стал доминирующим сегментом на мировом рынке информатики материалов. Это доминирование можно объяснить несколькими факторами, обуславливающими спрос на передовые материалы и внедрение информатики материалов в энергетическом секторе. Стремление к возобновляемым источникам энергии, таким как солнечная и ветровая энергия, подпитывало потребность в материалах с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Современные материалы имеют решающее значение для повышения эффективности и долговечности технологий возобновляемой энергии, таких как фотоэлектрические элементы и лопасти ветряных турбин. Материальная информатика позволяет исследователям находить и оптимизировать материалы, которые могут выдерживать суровые условия окружающей среды, что приводит к более надежным и экономически эффективным системам возобновляемой энергии.

Переход к электромобилям (ЭМ) стимулировал инновации в технологии аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы, основная технология хранения энергии, используемая в ЭМ, требуют материалов с высокой плотностью энергии, возможностями быстрой зарядки и долгосрочной стабильностью. Материальная информатика облегчает разработку новых материалов для аккумуляторов, прогнозируя их электрохимические свойства и оптимизируя их производительность с помощью вычислительного моделирования. Поиск решений в области устойчивой энергетики побудил исследования альтернативных источников энергии, таких как водородные топливные элементы и усовершенствованные ядерные реакторы. Эти технологии основаны на материалах, которые могут эффективно катализировать химические реакции, выдерживать высокие температуры и давления и минимизировать воздействие на окружающую среду. Информатика материалов ускоряет открытие таких материалов, предоставляя информацию об их взаимосвязях между структурой и свойствами и направляя экспериментальные усилия на наиболее перспективные кандидаты.

Информатика о типах материалов

Основываясь на типах материалов, в 2023 году сегмент химикатов стал доминирующим сегментом на мировом рынке информатики материалов. Сектор химикатов охватывает широкий спектр отраслей, включая фармацевтику, косметику, агрохимикаты и специальные химикаты. Каждая из этих отраслей в значительной степени опирается на передовые материалы для разработки инновационных продуктов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Информатика материалов позволяет исследователям находить и оптимизировать материалы, которые соответствуют определенным требованиям, таким как химическая стабильность, растворимость и профиль токсичности, что приводит к разработке более безопасных, эффективных и экологически чистых продуктов.

Химическая промышленность сталкивается с растущим нормативным давлением, направленным на минимизацию воздействия на окружающую среду и сокращение использования опасных веществ. Информатика материалов играет решающую роль в решении этих проблем, способствуя разработке устойчивых материалов и процессов. Исследователи могут использовать вычислительное моделирование и аналитику данных для разработки материалов с меньшим углеродным следом, улучшенной перерабатываемостью и сокращенным образованием отходов, что соответствует глобальным целям устойчивого развития. Сектор химической промышленности отличается высокой конкуренцией, и компании постоянно стремятся дифференцировать свою продукцию с помощью инноваций. Информатика материалов обеспечивает конкурентное преимущество за счет ускорения темпов открытия и разработки материалов, позволяя компаниям выводить новые продукты на рынок быстрее и с большей рентабельностью.

Региональные данные

В 2023 году Северная Америка стала доминирующим регионом на мировом рынке информатики материалов, занимая самую большую долю рынка. Северная Америка может похвастаться сильным присутствием ключевых игроков и ведущих технологических центров в области информатики материалов. В этом регионе находятся известные компании, научно-исследовательские институты и университеты, которые находятся на переднем крае разработки передовых материалов и используют подходы, основанные на данных, для открытия и разработки материалов. Эти организации стимулируют инновации и технологические достижения в области материальной информатики, привлекая инвестиции и способствуя развитию процветающей экосистемы для исследований и разработок.

Последние разработки

• В ноябре 2023 года компания Proterial, Ltd. представила свою фирменную платформу материальной информатики (MI) «D2Materi». D2Materi использует методологию, ориентированную на данные, для прогнозирования свойств материалов и разработки новых материалов. Анализируя накопленные данные, включая нетрадиционные наборы данных, такие как металлические материалы, платформа выявляет корреляции между характеристиками материалов, составом и различными факторами, такими как процессы, правила и характеристики. Этот передовой подход позволяет платформе эффективно решать задачу проектирования материалов с эффективностью.

Ключевые игроки рынка

• AI Materia Inc.
• ALPINE ELECTRONICS, Inc.
• Citrine Informatics
• Dassault Systèmes SE
• Exabyte Inc.
• Hitachi High-Tech Corporation
• Kebotix, Inc.
• Materials.Zone Ltd.
• Materials Design, Inc.
• DataRobot, Inc.