第4章

第4章 TorchDrug 与分子生成

TorchDrug and Molecule Generation
本章摘要 生成是分子机器学习最具想象力也最难评估的方向。本章以 TorchDrug 实现的两代经典模型——图卷积策略网络 GCPN 与自回归流 GraphAF——为线索,讲清自回归图生成框架、策略梯度与流模型两套数学,最后展望扩散模型与三维生成。

预测回答“这个分子怎么样”,生成回答“好分子从哪里来”。答案出乎意料地朴素:把搭建分子看成逐原子做决策的过程,再让算法学会这套决策。强化学习与流模型,是训练这套决策的两条技术路线,分别凝结为 GCPN 与 GraphAF 两个模型。

TorchDrug 本身已在 2022 年前后停止更新,但它对这两个模型的教学级实现至今仍是入门分子生成最好的材料。本章讲的是不过时的原理;至于如何迁移到活跃的生态,留给 5.1 节交代。

4.1
分子生成:问题定义与评估体系
分布学习与目标导向两大范式;有效性、唯一性、新颖性与 FCD 距离。
4.2
逐原子长大:自回归图生成的一般框架
生成即动作序列;原子、成键与终止动作;与文本生成的异同。
4.3
策略梯度:强化学习的最小必需数学
马尔可夫决策过程;期望回报与策略梯度定理的完整推导。
4.4
GCPN:把生成当作图上的序贯决策
状态、动作与奖励的设计;图卷积策略网络;中间奖励与课程学习。
4.5
流模型:变量替换与雅可比行列式
可逆变换下的分布变换公式;雅可比行列式的角色;精确似然的代价。
4.6
GraphAF:自回归流的分子生成
掩码流与逐原子的条件分布;预训练—微调范式;与 GCPN 的对比。
4.7
走向前沿:扩散模型、三维生成与基础模型
扩散过程的直觉;等变网络与三维生成;大规模预训练基础模型的走向。