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The EU-funded project OntoTrans — coordinated by the Technische Universität Wien (TU Wien) — has designed an application that aids the development of better materials. The project worked on advances in semantic technologies for materials science.
Semantic technologies are rather like having advanced vocabularies for computers. These are used extensively for the World Wide Web and its applications by billions of people every day. They help machines understand the meaning behind words and phrases, which makes it easier for information to be organised and connected. However, their application within the materials science field has lagged behind. Now, this project is closing the gap.
This interdisciplinary research project brought together physical scientists, data scientists and philosophers to develop a new vocabulary and applications to express and understand today’s research and development challenges in science-based industries.
For example, the web connects information from different sources, such as data about an author, their place of birth, books they wrote, and so on, whereas industry requires computers to make connections between a wide range of things from chemicals and materials to their processing and products’ properties.
Computers are already used extensively in research and industry, but data and results often need to be interpreted and merged by researchers. Such, typically manual, processes are time-consuming, inefficient and prone to errors, and the resulting data systems make access and discovery of related information very difficult.
Dedicated vocabularies and applications can connect information and data across computer systems so they can exchange data automatically and discover new relations leading to new innovative products. For computers to understand each other, they need to use the same words or know that different words may have the same meaning to leave no room for misunderstanding. Other advantages include less time needed to develop new materials that are more sustainable and reduced costs, which results in a more agile, competitive business.
A language for scientific computing
OntoTrans has developed a way to use language that can describe, communicate and reuse data, which facilitates communication between different data systems and acts to store knowledge, and can be effectively searched. The language, a so-called ontology, makes the information understandable by humans and machines. Such advances are particularly important because the use of machine learning and AI is increasing.
Databases of concepts and their relationships created with ontologies already exist in different areas, but for physical sciences, such as physics and chemistry, the development and uptake of ontologies have been slow. An ontology that describes topics by combining viewpoints from a wide range of professional and research areas has been developed for materials science: The "Elemental Multiperspective Material Ontology" (EMMO) is under continuous development and applied in the OntoTrans project.
Faster searches mean better materials
Semantic knowledge management technologies can speed up the process of choosing and developing materials: the associated gains in performance and sustainability can be enormous. These systems also enable quicker responses to customer demands and regulatory changes. All these advantages contribute to green and digital transitions and enable businesses to remain competitive.
The primary user benefits of the OntoTrans system are:
“By having this digitalisation of the development process which OntoTrans brings to the table, it helps us with the upskilling of the staff who are no longer going to have to do a lot of physical tests and this lengthy development process”, says Dr Julian Dizzy, Senior Researcher at ArcelorMittal, an industrial partner of the OntoTrans project.
With the OntoTrans project finishing in 2024, the outcomes will be integrated into other EU-funded projects, such as MatCHMaker and OpenModel, and exploited by project partners in a “Semantic Materials” initiative.
Acknowledgement: This work has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant Agreement No 862136 (OntoTrans)
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Dr Nadja Adamovic
Project Coordinator
TU Wien, Austria Email: nadja.adamovic@tuwien.ac.at
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Das EU Projekt OntoTrans, koordiniert von der TU Wien, hat eine Anwendung konzipiert, die zur Entwicklung von besseren Materialien beiträgt. Das vierjährige Projekt arbeitete an Fortschritten in semantischen Technologien für die Materialwissenschaft.
Semantische Technologien sind wie fortgeschrittene Vokabulare für Computer. Sie werden umfangreich für das World Wide Web und seine Anwendungen genutzt, und zwar von Milliarden von Menschen jeden Tag. Sie helfen Maschinen, die Bedeutung hinter Wörtern und Sätzen zu verstehen, und erleichtern somit das Organisieren und Verknüpfen von Informationen. Ihre Anwendung im Bereich der Materialwissenschaften hinkt jedoch hinterher. Mit diesem Projekt wird diese Lücke nun geschlossen.
Das interdisziplinäre Forschungsprojekt brachte Naturwissenschaftler*innen, Datenwissenschaftler*innen und Philosoph*innen zusammen, um neues Vokabular und Anwendungen zu entwickeln, mit deren Hilfe die heutigen Herausforderungen in Forschung und Entwicklung in der wissenschaftsbasierten Industrie ausgedrückt und verstanden werden können.
Das Internet verbindet beispielsweise zusammenhängende Informationen aus verschiedenen Quellen, wie Informationen über eine Autorin, ihren Geburtsort, die von ihr geschriebenen Bücher usw. Die Industrie benötigt Computer, um Verbindungen zwischen einer Vielzahl von Objekten herzustellen, von Chemikalien und Materialien bis hin zu ihrer Verarbeitung und den Eigenschaften der Produkte.
Computer werden in Forschung und Industrie bereits in großem Umfang eingesetzt, aber die Daten und Ergebnisse müssen häufig von Forscher*innen interpretiert und zusammengeführt werden. Solche in der Regel manuellen Prozesse sind zeitaufwendig, ineffizient und anfällig für Fehler. Die daraus resultierenden Datensysteme erschweren den Zugang zu und das Auffinden von zugehörigen Informationen erheblich.
Spezielle Vokabulare und Anwendungen können Informationen und Daten über Computersysteme hinweg verbinden, sodass sie automatisch Daten austauschen und neue Zusammenhänge entdecken können, die zu neuen innovativen Produkten führen. Damit Computer effizient sinnvolle semantische Informationen austauschen können, müssen sie dieselben Begriffe verwenden oder wissen, dass verschiedene Wörter dieselbe Bedeutung haben können, damit kein Raum für Missverständnisse bleibt. Weitere Vorteile sind ein geringerer Zeitaufwand für die Entwicklung neuer Materialien, die nachhaltiger sind, und weniger Kosten – Faktoren, die zu einem agileren, wettbewerbsfähigeren Unternehmen führen.
Eine Sprache für wissenschaftliches Rechnen
OntoTrans hat eine Sprache entwickelt, mit der Daten beschrieben, kommuniziert und wiederverwendet werden können. Die Kommunikation zwischen verschiedenen Datensystemen wird damit erleichtert und Wissen kann gespeichert und effektiv durchsucht werden. Die Sprache, eine sogenannte Ontologie, macht die Informationen für Menschen und Maschinen verständlich. Solche Fortschritte sind besonders wichtig, weil der Einsatz von maschinellem Lernen und KI zunimmt.
Datenbanken mit Konzepten und ihren Beziehungen, die mithilfe von Ontologien erstellt wurden, gibt es bereits in verschiedenen Bereichen, aber in den Naturwissenschaften wie in der Physik und der Chemie wurden Ontologien bisher nur langsam entwickelt und übernommen. Für die Materialwissenschaften wurde eine Ontologie entwickelt, die Themen durch die Kombination von Standpunkten aus einem breiten Spektrum von Fach- und Forschungsbereichen beschreibt: Die „Elemental Multiperspective Material Ontology“ (EMMO) wird kontinuierlich weiterentwickelt und im Rahmen des Projekts angewendet.
Schnellere Suche bedeutet bessere Materialien
Semantische Technologien für Wissensmanagement können den Prozess der Materialauswahl und -entwicklung beschleunigen. Die damit verbundenen Vorteile in Bezug auf Leistung und Nachhaltigkeit können enorm sein. Diese Systeme ermöglichen auch schnellere Reaktionen auf Kundenwünsche und gesetzliche Änderungen. All diese Vorteile tragen zum grünen und digitalen Wandel bei und ermöglichen es den Unternehmen, wettbewerbsfähig zu bleiben.
Die wichtigsten Vorteile des OntoTrans-Systems für die Nutzer*innen sind:
„Die Digitalisierung des Entwicklungsprozesses, die OntoTrans mit sich bringt, hilft uns bei derWeiterbildung unserer Mitarbeiter*innen, die nicht mehr diesen langwierigen Entwicklungsprozess mit vielen physischen Tests durchführen müssen“, sagt Dr. Julian Dizzy, Senior Researcher bei ArcelorMittal, einem industriellen Partner des OntoTrans Projekts.
Nach dem Projektabschluss im Juli 2024 werden die Ergebnisse in andere EU-finanzierte Projekte wie MatCHMaker und OpenModel integriert und von den Projektpartner*innen im Rahmen einer „Semantic Materials“-Initiative genutzt.
Diese Arbeit wurde mit Mitteln aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung 862136 (OntoTrans) gefördert.Rückfragehinweis
Dr Nadja Adamovic
Projekt Koordinatorin
TU Wien, Austria Email: nadja.adamovic@tuwien.ac.at
