如果有適當(dāng)?shù)闹R(shí),所有不被自然法則禁止的事物,都是可以實(shí)現(xiàn)的。
-戴維·多伊奇
諸如振金(Vibranium),難得素(unobtainium)和氪石(kryptonite)之類在科幻小說(shuō)中描述的神奇材料,不僅俘獲了公眾的眼球,也激發(fā)了整個(gè)世界的想象力。
人類歷史的一個(gè)基本事實(shí)是:材料能推動(dòng)技術(shù)革命。
如果沒(méi)有硬鋁,就不會(huì)有商用飛機(jī);如果沒(méi)有鋼鐵,就不會(huì)有摩天大樓;如果沒(méi)有塑料,就不會(huì)有廉價(jià)的內(nèi)部水暖管道,不一而足。
但是,新材料的開(kāi)發(fā)卻異常緩慢。今天能夠使用的材料數(shù)量,可能僅是各種材料元素?zé)o窮多組合中屈指可數(shù)的幾種。時(shí)至今日,我們?cè)谛滦透邚?qiáng)輕質(zhì)合金和室溫超導(dǎo)體的研究方面,依然在蹣跚前行。
據(jù)說(shuō),托馬斯·阿爾文·愛(ài)迪生為他新發(fā)現(xiàn)的電燈泡燈絲,測(cè)試了超過(guò)2000種材料作。他甚至對(duì)自己的頭發(fā)進(jìn)行了測(cè)試,直到在偶然之中,找到了后來(lái)被鎢取代的碳。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái),材料科學(xué)家們依然在沿用這種“愛(ài)迪生式”的研究方法:新材料的研究,總是圍繞著可預(yù)測(cè)的成分展開(kāi),而新成果卻寥寥無(wú)幾,令人唏噓。
如今,蓬勃發(fā)展的人工智能((AI),或有望在材料科學(xué)領(lǐng)域完成一項(xiàng)重大革新。
首先,AI是什么?
根據(jù)ISO/IEC JMotor 1/SC 42的定義,人工智能(AI)是通過(guò)嵌入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)環(huán)境的算法,是對(duì)人類智能活動(dòng)過(guò)程的模擬。
AI的好處是能夠迅速完成非常精密的工作任務(wù),節(jié)約大量時(shí)間與成本。AI采用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理的速度和量級(jí)遠(yuǎn)超人類。
AI的類型基本可分為兩類,一類是指狹義人工智能,可完成具體工作,比如我們現(xiàn)在使用的電腦。另一類被稱為廣義人工智能,旨在形成認(rèn)知能力,但專家們認(rèn)為,這種類型的AI,似乎在我們有生之年難以實(shí)現(xiàn)。
那么,對(duì)于材料科學(xué)來(lái)說(shuō),我們需要怎樣的AI?
有學(xué)者認(rèn)為,材料科學(xué)的AI,應(yīng)能夠發(fā)現(xiàn)已有材料文獻(xiàn)中被疏忽的線索。雖然我們已經(jīng)可以使用自然語(yǔ)言處理(NLP)從文本中提取材料數(shù)據(jù),但我們還需要建立起更強(qiáng)大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),抽取每年發(fā)布的數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的圖像,如疇、晶粒、圖表、光譜,分析和理解這些圖像,并預(yù)測(cè)下一種新材料。
也有學(xué)者認(rèn)為,材料科學(xué)AI應(yīng)可從世界各地正在新建的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取幫助。目前,我們已可通過(guò)“高通量”實(shí)驗(yàn),對(duì)多維“相空間”進(jìn)行梳理,收集隱藏在“顯相”背后的“隱相”和“真相”。
還有學(xué)者認(rèn)為,材料科學(xué)的AI并不是指某些具體的數(shù)據(jù),而是一種正確的技術(shù)、算法或模型。下一代材料學(xué)家的培養(yǎng),應(yīng)注重大數(shù)據(jù)思維方式。
一切皆有可能。
遠(yuǎn)古時(shí)代的現(xiàn)代匕首
1922年,英國(guó)考古學(xué)家霍華德·卡特(Howard Carter)打開(kāi)了埃及法老圖坦卡蒙的墳?zāi)梗@是現(xiàn)代最著名的考古發(fā)掘之一。卡特對(duì)5398件墓中物品進(jìn)行了分類,其中包括著名的黃金面具、黃金棺槨、以及用黃金打造的王座、酒具和便鞋等寶藏。但是,在所有這些令人炫目的寶藏中,他還發(fā)現(xiàn)了一件用亞麻布包裹的鐵制匕首,它被裹在法老木乃伊的大腿上。令人驚奇的是,這把已有三千多年歷史的鐵匕首,居然沒(méi)有生銹的跡象,隨后的化學(xué)分析證實(shí),它的性能更像現(xiàn)代的低碳鋼。
那么,為什么古埃及人對(duì)鐵匕首如此尊崇呢?
古埃及的鐵,對(duì)今人來(lái)說(shuō),完全是個(gè)謎。現(xiàn)代的考古表明,古埃及時(shí)代的鐵礦很少,古埃及人生產(chǎn)鐵和保存鐵的技術(shù)也不為今人所知。三千多年后,鋼鐵已無(wú)處不在。它堅(jiān)固、廉價(jià)、且廣為人知。我們知道,加入少量的碳可以使鐵更堅(jiān)固。我們還知道,就是因?yàn)樾⌒〉奶荚渔i住了鐵內(nèi)部的位錯(cuò),使其在應(yīng)力下不會(huì)輕易移動(dòng)。我們也知道,鉻的添加,可以在鐵的表面形成一層薄薄的表面保護(hù)層,來(lái)防止鐵生銹。今天,我們已經(jīng)可以精準(zhǔn)控制這些已知的因素。
毋庸置疑,鋼鐵是現(xiàn)代科學(xué)給人類帶來(lái)的禮物,并以汽車,餐具,橋梁和摩天大樓的形式饋贈(zèng)給人類。
(圖坦卡蒙的帶有水晶手柄的鐵匕首)
鋼鐵是發(fā)展得最好的工程材料之一,大多數(shù)材料工程師在金屬學(xué)課程中學(xué)習(xí)的第一張相圖,就是鐵碳平衡相圖,如此優(yōu)美的相圖曲線,給人一種自信和自豪的感覺(jué)。然而,能達(dá)到現(xiàn)今鋼鐵工業(yè)這個(gè)水平,絕對(duì)也是一個(gè)傳奇。
無(wú)法想象,當(dāng)初古人為何會(huì)把一塊黑色的木炭,投入帶灼熱的鐵水中,并期待獲得神奇的金屬?他們當(dāng)初所做的一切,遠(yuǎn)在我們了解其背后的科學(xué)知識(shí)之前。這里有太多的偶然性,就像往鐵中加入一點(diǎn)點(diǎn)碳,一點(diǎn)點(diǎn)鉻,一點(diǎn)點(diǎn)鎳,一點(diǎn)點(diǎn)錳,來(lái)“化腐朽為神奇”一樣。無(wú)怪乎有人戲言,煉鋼更像是一種“烹飪”行為,與其說(shuō)是科學(xué),不如說(shuō)更像藝術(shù)。
事實(shí)上,不僅僅是鋼鐵;所有新材料的發(fā)現(xiàn)都是一個(gè)痛苦而緩慢的過(guò)程。
元素的奧吉亞斯馬廄(The Augean Stables)
假設(shè)我們系統(tǒng)地研究每一個(gè)元素和其他元素可能的組合,不管是二元的,或三元的,等等,我們終將會(huì)有所發(fā)現(xiàn),其中可能就包括新型陶瓷、室溫超導(dǎo)體、強(qiáng)輕質(zhì)合金、未被發(fā)現(xiàn)的形狀記憶金屬、新型拓?fù)浣^緣體,當(dāng)然還有一些無(wú)中生有的東西。但是,如果從120種元素著手,我們將工作量將是一個(gè)天文數(shù)字,將達(dá)到令人難以置信的10100種材料!
即使我們只限定10種元素,以減少“相”空間(Phase space),我們?nèi)匀恍枰圃旌蜏y(cè)試大約400萬(wàn)種材料,而每種材料都要在一定的溫度和壓力范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。
因此,新材料的稀缺也就不足為奇了。也許正因?yàn)槿绱耍谌祟惖臍v史中,盡管材料的價(jià)值一直在變動(dòng),但我們?nèi)园V心不改。人類因此也走過(guò)了石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代,現(xiàn)在已經(jīng)邁進(jìn)了紙、塑料、硅時(shí)代。材料給了我們所珍視的一切。鐵使農(nóng)業(yè)成為可能,紙開(kāi)啟了文藝復(fù)興,帶領(lǐng)歐洲走出黑暗時(shí)代,塑料使食品運(yùn)輸變得容易,輕質(zhì)硬鋁合金使飛機(jī)上天成為可能。
在熱門(mén)的科幻電影中,我們會(huì)談?wù)撓蓪m戰(zhàn)士(Asgardian)用阿斯加德金屬烏魯(Uru)制成的雷神(Thor)錘子,以及可用來(lái)削弱超人能力的水晶氪星石(crystal kryptonite)。在詹姆斯·卡梅隆(James Cameron)的電影阿凡達(dá)(Avatar)中,來(lái)自地球的工作人員洗劫了潘多拉(Pandora)星球,目的是尋找難得素(unobtainium),一種室溫超導(dǎo)體。在電影《黑豹》中,瓦坎丹部落使用的是振金(vibranium),一種強(qiáng)大,靈活,反射動(dòng)能的材料。
材料充滿了神奇,而“工具”更是傳奇。
幸運(yùn)的是,今天的材料科學(xué)正在經(jīng)歷一場(chǎng)無(wú)聲的革命。材料科學(xué)中人工智能的曙光已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。
材料科學(xué)的AI時(shí)代正在悄悄來(lái)臨。
在給計(jì)算機(jī)配備了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算、圖形處理單元(GPU)驅(qū)動(dòng)計(jì)算和強(qiáng)大的算法后,我們開(kāi)始教計(jì)算機(jī)如何尋找和發(fā)現(xiàn)新材料,而無(wú)需實(shí)際制造它們。例如,給定一系列元素,提供相應(yīng)的原子大小,原子量,電離能,鍵合強(qiáng)度等數(shù)據(jù),機(jī)器就可以進(jìn)行“思考”實(shí)驗(yàn)。
在AI算法中,我們把一定量的每種元素添加到鐵中,計(jì)算電子結(jié)構(gòu)的變化、在應(yīng)力下的行為以及與氧的反應(yīng)性,并給每種元素評(píng)分。在下一個(gè)迭代中,它會(huì)改變每個(gè)元素的數(shù)量,例如從0%到10%不等的百分含量,并記錄下材料屬性的變化。在另一個(gè)迭代中,每一個(gè)組合物都需要在3個(gè)大氣壓下,從0?K加熱到3500?K,并計(jì)算材料的性能。
當(dāng)然,這里有一個(gè)龐大的工作量,但只要是計(jì)算機(jī)做的,誰(shuí)會(huì)在乎呢?
在此計(jì)算結(jié)束之際,我們甚至可以料想到計(jì)算的結(jié)果,和鉻和鎳一樣,碳元素會(huì)是評(píng)級(jí)最高之一。然而,真正令人興奮的,是我們還沒(méi)有嘗試過(guò)的其他發(fā)現(xiàn)。向鐵中添加某種物質(zhì)會(huì)使鋼變綠?變緣熱?變?nèi)嵝裕科查_(kāi)鋼不談,這種方法能預(yù)測(cè)室溫超導(dǎo)體?新型壓電材料?可生物降解的超強(qiáng)非烴聚合物?其想象空間之大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類的認(rèn)知。
這將是材料科學(xué)領(lǐng)域人工智能革命的未來(lái)和希望,會(huì)有成千上萬(wàn)種神奇的材料,每一種材料都意味著一場(chǎng)革命。這絕不全是夸張,正如我們所看到的那樣,材料往往意味著基礎(chǔ)或技術(shù)革命。解決材料問(wèn)題的最新方法,就是開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的人工智能,來(lái)為我們完成這項(xiàng)任務(wù):設(shè)計(jì)新材料、改進(jìn)現(xiàn)有材料,改進(jìn)工藝和性能。
與其他人工智能的嘗試(如自然語(yǔ)言處理或圖像識(shí)別)不同,我們已擁有數(shù)百年的實(shí)驗(yàn)直覺(jué),以及被稱為科學(xué)的知識(shí)體系來(lái)幫助我們。那么,如今的材料科學(xué)家將如何面對(duì)這一挑戰(zhàn)?人工智能要解決的首要問(wèn)題又是什么?
其實(shí),在材料科學(xué)中,一直存在著某種形式的機(jī)器學(xué)習(xí)。例如FactSage之類的熱化學(xué)軟件包,它可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)所選化學(xué)成分的相圖。科學(xué)家們已可利用現(xiàn)有訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)擬合的模型,預(yù)測(cè)諸如折射率,介電常數(shù),屈服強(qiáng)度等材料特性。例如折射率,只需知道材料的化學(xué)成分即可進(jìn)行預(yù)測(cè),而且預(yù)測(cè)結(jié)果的精度可超過(guò)90%。
但是,以往的這些成果都是局部的,迄今為止,尚未“描繪”出我們一直苦苦追尋的全局性圖譜。
材料科學(xué)家也試圖通過(guò)計(jì)算建模來(lái)預(yù)測(cè)材料性能。根據(jù)輸入到程序中的大量數(shù)據(jù),該模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在選定的長(zhǎng)度和時(shí)間尺度上的材料性能。這些技術(shù)包括模擬原子和分子的分子動(dòng)力學(xué),以及模擬大象越過(guò)橋梁時(shí)橋梁運(yùn)動(dòng)的有限元軟件。
以上這些模型都是基于復(fù)雜的物理驅(qū)動(dòng)算法運(yùn)行的,這些算法通常以數(shù)值方式求解一些微分方程而告終。機(jī)器學(xué)習(xí)和AI驅(qū)動(dòng)的材料開(kāi)發(fā)則建立在這些建模嘗試的基礎(chǔ)上,或者通過(guò)訓(xùn)練機(jī)器,從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)材料的行為來(lái)超越它們。機(jī)器可能知道一些物理原理,但是沒(méi)有建立起“如果是,那就是”這種邏輯關(guān)系。而AI則通過(guò)觀察“在相似情況下的一系列相似項(xiàng)目的行為”來(lái)學(xué)習(xí)事物。但是,材料AI的真正力量,是機(jī)器利用其自身的物理和化學(xué)知識(shí),觀察不同環(huán)境下的某物的不同行為,來(lái)學(xué)習(xí)某物。
材料的基因?
在早期的工作中,杜克大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)為晶體創(chuàng)建了“指紋”,即為一種材料選定唯一的物理和化學(xué)性質(zhì)的視覺(jué)表示,并以此來(lái)預(yù)測(cè)新的超導(dǎo)體。目前,該算法在測(cè)試數(shù)據(jù)上運(yùn)行良好,某些預(yù)測(cè)的成分已被證明確具超導(dǎo)性。
此外,材料科學(xué)家們一直有一個(gè)“固執(zhí)”的想法,那就是為任何給定材料創(chuàng)建一個(gè)唯一的表示形式(基因)。美國(guó)政府于2011年發(fā)起成立了材料基因組計(jì)劃,旨在鼓勵(lì)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界采用AI來(lái)驅(qū)動(dòng)材料的開(kāi)發(fā)。但是,迄今為止,科學(xué)家們尚未找到合適的基因,考慮到材料的復(fù)雜程度,也不確定將來(lái)能否找到該基因。
例如,鈦酸鉛鋯(PZT)是一種非常常見(jiàn)的壓電陶瓷材料,能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,反之亦然。
然而,以正確的比例混合鉛、鋯和鈦,并不總是能獲得具有相同特性的同一種材料。PZT的性能受晶粒尺寸、晶粒形狀、材料中的雜質(zhì)、材料的微觀空隙、疇形狀和疇尺寸、對(duì)材料基板的夾持作用、材料本身的尺寸、燒結(jié)氣氛和熱電歷史等諸多因素的影響。
那么,如何找到一種表達(dá)方式來(lái)表達(dá)所有這些參數(shù)呢?而且,即使能找到這樣一個(gè)表示方式,我們又將如何確定該包含多少數(shù)據(jù)呢?這確實(shí)是個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。
(根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密度構(gòu)造的材料指紋)
數(shù)據(jù)庫(kù)之戰(zhàn)
當(dāng)前,以上問(wèn)題尚無(wú)解。特別是,對(duì)某個(gè)指定屬性進(jìn)行預(yù)測(cè)所需的最少數(shù)據(jù)量,也沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。此外,大多數(shù)大型機(jī)器可讀的屬性數(shù)據(jù)庫(kù),在該領(lǐng)域中也尚不存在。人類通過(guò)數(shù)十年的實(shí)驗(yàn)和理論收集的數(shù)據(jù),依然被塵封在文本和期刊文章中。因此,人工智能的第一步很可能是由數(shù)據(jù)平臺(tái)行動(dòng)計(jì)劃驅(qū)動(dòng)的。
其中,最著名的兩個(gè)例子是Materials Project和AFLOW Library。兩者均為通過(guò)密度泛函理論(DFT)計(jì)算的材料計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)。Materials Project的數(shù)據(jù)庫(kù)中有超過(guò)100萬(wàn)種材料,這些材料具有帶狀結(jié)構(gòu)、壓電、彈性等特性。目前,該數(shù)據(jù)庫(kù)仍在快速增長(zhǎng),已經(jīng)有超過(guò)5萬(wàn)名用戶,其中大部分用戶來(lái)自計(jì)算材料界。
由于上述原因,作為必要的第一步,材料的計(jì)算(理論計(jì)算)數(shù)據(jù)與最終通過(guò)經(jīng)驗(yàn)測(cè)量的材料性能并不完全相同。因此,除了理論數(shù)據(jù)庫(kù)之外,我們還需要一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù),其中包含一個(gè)材料及其實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的列表。目前,這領(lǐng)域還沒(méi)有一個(gè)全面的數(shù)據(jù)庫(kù)。
另外的一些舉措來(lái)自使用ChemData Extractor等工具對(duì)科學(xué)文本進(jìn)行自然語(yǔ)言處理,該工具可以從文本中識(shí)別化學(xué)式和屬性關(guān)系。這已被用來(lái)從文本集合中自動(dòng)提取所選無(wú)機(jī)物的磁性。其他方法,特別是與材料合成相關(guān)的方法,主要依賴文本挖掘和合成數(shù)據(jù)生成,例如使用變分自動(dòng)編碼器。
盡管如此,語(yǔ)義屬性-處理-性能關(guān)系的提取,目前仍處于起步階段,而且這可能是材料科學(xué)AI發(fā)展中的最大瓶頸。
材料的深度學(xué)習(xí)
當(dāng)深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于圖像時(shí),可自動(dòng)完成一些勞動(dòng)密集型任務(wù),例如,識(shí)別電子顯微鏡圖像中的缺陷,讀取X射線衍射光譜并對(duì)“相”進(jìn)行標(biāo)記。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)小組演示了如何訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)來(lái)識(shí)別透射電子顯微鏡圖像中的空穴缺陷。其他研究小組已經(jīng)則展示了CNN如何在圖像中捕捉細(xì)微的特征,如晶粒的大小、分布和晶粒取向,并根據(jù)材料的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行精確分類。
在另一個(gè)層面上,深度學(xué)習(xí)正在簡(jiǎn)化通常需要用到超級(jí)計(jì)算機(jī)才能完成的密度泛函理論(DFT)計(jì)算。加州大學(xué)爾灣分校完成的工作中,已應(yīng)用深度學(xué)習(xí)來(lái)近似密度泛函理論,來(lái)計(jì)算材料中的電子分布。這種簡(jiǎn)化的DFT計(jì)算通常是最好的材料建模方法,已廣泛應(yīng)用于物理和化學(xué)的許多分支。
(無(wú)機(jī)三元金屬氮化物圖,用最低形成能的三元氮化物的熱力學(xué)穩(wěn)定性著色)
在另一個(gè)路徑上,我們開(kāi)始看到自動(dòng)化高通量實(shí)驗(yàn)進(jìn)入材料科學(xué)領(lǐng)域。這些都是自動(dòng)化的系統(tǒng),一次可執(zhí)行數(shù)千個(gè)實(shí)驗(yàn),然后進(jìn)行表征和測(cè)量。這使得人們可以快速有效地掃描相空間。
例如,美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的高通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù),包含了超過(guò)1307個(gè)樣品庫(kù)和60000多個(gè)通過(guò)共濺射金屬制備的薄膜樣品。該數(shù)據(jù)庫(kù)包含了這些材料的顯微結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)信息,可供公眾查閱。
在這個(gè)方向上的其他工作,包括開(kāi)發(fā)一種自主研究系統(tǒng)(ARES),以可控制的速率來(lái)生長(zhǎng)碳納米管,而其他研究小組已將這種方法應(yīng)用于有機(jī)物的合成以及鎳鈦形狀記憶合金的開(kāi)發(fā)。這些方法的效率遠(yuǎn)勝過(guò)人工方法,而且勢(shì)必將改變“未來(lái)材料科學(xué)家”的讀博進(jìn)程——因?yàn)榇蠖鄶?shù)的博士研究生可能會(huì)被機(jī)器人取代!
最終,隨著機(jī)器和算法或?qū)⑷娼庸軐?shí)驗(yàn)室和人類“思考”過(guò)程,人類也需要重新認(rèn)識(shí)材料科學(xué)。材料是什么?我們對(duì)材料究竟了解多少?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否有可識(shí)別出更高維度的材料特性-一種我們腦海從未現(xiàn)象過(guò)百維怪獸?
或許,一種新的材料科學(xué)本體將由機(jī)器人和人類共同構(gòu)建。
應(yīng)許之地
有時(shí)候,我們對(duì)于渴望的東西,總是表現(xiàn)得相當(dāng)迫切。如果近期之內(nèi),我們達(dá)不到目標(biāo),就會(huì)心慌,憂慮,甚至無(wú)所適從。
其實(shí),一切都不用急。這世間所有的一切,都有因果。該來(lái)的東西,自然會(huì)來(lái);該走的,也會(huì)離開(kāi)。即使你再著急,仍然于事無(wú)補(bǔ)。不如耐心等待,只要時(shí)機(jī)到了,所有該來(lái)的都會(huì)來(lái)的。
正如巴魯赫·斯賓諾莎所言:“凡受理性指導(dǎo)的人,亦即以理性作指針而尋求自己的利益的人,他們所追求的東西,也即是他們?yōu)閯e人而追求的東西。”
參考資料
https://matmatch.com/blog/the-age-of-artificial-intelligence-in-materials-science-part-one/
https://matmatch.com/blog/the-age-of-artificial-intelligence-in-materials-science-part-two/
https://www.iso.org/isofocus_137.html
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