利用贝叶斯学习设计的多孔超材料控制生物膜输运

受限系统中生物膜的生长与输运常发生于自然和工程系统中。设计可定制的工程多孔材料以获得可控的生物膜输运特性，可显著促进生物膜作为工程活体材料在污染缓解、材料自修复、能源生产等诸多应用中的快速利用。我们结合贝叶斯优化(BO)和基于个体的建模，对不同多孔材料(PM)的生物膜输运能力最大化进行设计优化。我们首先刻画BO中用于设计二维多孔膜的评价函数。我们使用期望改进评价函数设计晶格超材料(LM)和三维多孔介质(3DPM)。我们发现BO对于LM比均匀网格搜索方法效率高92.89%，对于3DPM效率高223.04%。对于所有三类结构，所选表征模拟测试与用高斯过程回归近似的设计空间吻合良好。所有提取的最优设计均表现出比无基底非受限空间更好的生物膜生长和输运性。我们的比较研究表明，PM通过占据体积空间并推动生物膜向上生长来刺激生物膜生长，非受限空间细菌细胞数比多孔材料多20%，而PM诱导生物膜生长在目标生长区域的细菌细胞数比非受限生长多128%即为证。我们的工作为基底设计以调节生物膜生长、分析优化过程并表征设计空间、以及理解支配生物膜生长的生物物理机制提供了更深入的见解。