【光明日报】智能机器化学家“小来”,来了!-皇冠体育平台

时间:2023-12-31 19:56:26 来源:光明日报

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智能机器化学家“小来”。


  作者:江俊


  日前,中国科学技术大学的科学家们利用火星陨石成功创制出实用的产氧电催化剂。这个成果最特殊的地方在于,所有实验都是由机器来执行的——科学家们建立了庞大的数据库,开发自主知识产权机器指令集源代码,打造出世界上最先进的智能机器化学家,通过人工智能驱动机器人实验,解决了复杂优化难题,在两个月内就取得了实验成功,获得了预期效果——


  1.建立化学研究智能新范式


  数千年来,人类在化学领域不断解锁物质世界的奥秘。从对微观世界原子和分子的深入研究,再到对电子和原子核的探索,我们制造出许多令人惊叹的物品和材料。这些不懈努力使人类拥有了药物、塑料、电池、化肥等各类化学品。


  化学学科发展经历漫长历程,古代从实践中获得基础知识,炼金术时代追求黄金合成,17-18世纪化学革命催生氧气、元素概念,19世纪有机化学崛起,休克尔提出结构理论,20世纪涌现量子化学、生物化学。当代,化学涉足纳米、环境、材料等多个领域,成为解决全球性问题的关键科学。


  但化学又是个需要一点运气的学科——能产生反应的物质有很多,不同的量会带来不同的结果,更关键的是,反应釜完全是个“黑箱”,里面会发生什么,过程如何,在很多情况下是无法计算和计量的。因此,化学领域总有很多“无心插柳”的成果,也有很多“白发叹息”的无奈,要想得到想要的结果,可能需要很长时间。


  21世纪飞速发展的人工智能和大数据技术,有望为化学这一古老学科赋予更多的可能性,为化学研究领域带来前所未有的革新与挑战。


  我们团队历时9年,利用人类几千年积累的化学经验和知识,建立了庞大的数据库,自主开发了高效科研机器人指令集,打造出世界上最先进的智能机器化学家。通过人工智能驱动机器人实验,以智能新范式在两个月内破解了人类实验需要两千年的复杂优化难题——利用火星陨石成功创制出实用的产氧电催化剂,这一成果发表在国际学术期刊《自然-合成》上。自然新闻(naturenews)专门采访美国航空航天局的火星资源利用计划并比照各自优势,认为我们为火星探测和地外文明探索提供了新的技术手段。


  团队把这个智能机器化学家命名为“小来”,标示着未来物质科学探索的新纪元。它与人类智慧的结合将开启物质科学全新的可能性,引领人类在星辰大海中不断追寻知识的边界。


  2.“小来”的诞生


  “小来”的诞生凝结了研究团队老中青三代研究者的智慧。


  中国科学技术大学教授、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心主任罗毅,在谱学方面见解独到。他带领团队对重要元素与化合物进行深入的谱学研究,用智能化的现代科学技术手段,建立起一套相对精细完整的谱学智能模型,使得“小来”具备了精准的谱学探测与解析功能,拥有了犀利的“感官”,得以在未知场景下探寻深层物质结构。


  谱学让物质感知成为可能,而如何真正实现对物质的深层次理解则成为新的挑战。笔者带领团队建立起包含各种物质和材料的科学大数据库,结合现代日新月异的科技手段,把过去、现在和未来的知识串联起来。历时9年,我们搭建了中国人自己的材料大数据库,发展谱学智能模型算法,深度探索物质世界的“谱-构-效”关系。


  尽管团队汇集了一批物质科学领域最优秀的科学家和研究生,这条路也并非一帆风顺。为了培育“小来”的“化学大脑”,使其实现对物质的真正理解,首先要让“小来”能够自主阅读人类文献资料获取知识,这需要对海量文本数据做人工标注。“小来”拥有的千万条有效标注的数据,是全校上百名同学接力完成的。这些最优秀学子默默承担起枯燥烦琐的重复劳动,才最终使得“小来”能够快速阅读并分析文献资料,从前人宝贵的知识中汲取充足的养分,不断进化“化学大脑”,产生化学智能并理解物质的真正含义。


  拥有了犀利的“感官”和“化学大脑”,如何驱动“小来”实现更快速、准确的实验设计和操作分析,协助人类科学家更高效地解锁物质世界的奥秘呢?


  团队里的年轻人挑起大梁。他们夜以继日,机械设计、程序编写、材料选配、设备定制、工艺整合、软硬件系统集成等,花费大量时间摸索并寻求皇冠体育平台的解决方案。拥有“化学大脑”的“小来”要想进一步升级迭代和完成各种实验操作,需要和所有其他最先进的化学实验设备兼容适配。移动机器人和智能化学工作站的联动需要全方位整合设计工艺流程,极其复杂烦琐。最开始调试整合时,仪器设备不配合响应,同学们连续3个星期在实验室里,不断重复发送信号、等待反馈、记录响应的动作。3000多次的重复,一点一点地逆向试出了底层控制逻辑。他们编写的驱动程序成功对多类科学仪器实现了远程控制,后来知名设备厂商主动联系团队希望购买该类程序。


  在无数次通宵达旦的工作后,融合化学“大脑”,集成2台移动机器人、19个智能化学工作站和高通量计算系统,覆盖科学研究方法论全流程的机器化学家平台诞生,“小来”终成完全体。


  3.化学家的好“助手”


  机器化学家并非可完全取代人类科学家,而是与我们协同工作的重要伙伴。


  团队的实验科学家朱青首先感受到“小来”的强大之处,在“小来”的协助下,短短5周内就开发出原本通过实验试错需要1400年才能成功的高熵催化剂。他说:“以前做实验要没日没夜在实验室盯着反应,反复尝试,而现在只需要坐在电脑屏幕前,输入研究目标参数,‘小来’便可自主阅读文献并提出实验方案,自动执行计算-合成-表征-测试的全流程,总结规律并给出精准预测,最终解决问题。这已经改变了实验科学的传统试错研究范式!”


  在火星陨石的实验中,“小来”利用火星陨石创制产氧催化剂的成功也让深空探测实验室的研究员们眼前一亮。深空探测实验室的使命是支撑我国探月工程四期和行星探测工程任务,而“小来”为克服未来星际任务中便携制氧和资源原位利用难题探索出新路线。


  如果用人工方式来做实验,以五种不同的火星矿石作为原料,按照常规以1%间隔的整数百分比组合估计,有超过376万个配方的排列组合,按每个实验验证至少5小时计算,找到最佳配方需要2000年。而“小来”只用了5个星期就做完了实验。给出的优化后的催化剂配方,可以提供足够的氧气。同时“小来”可以替代人类进入各种恶劣环境,有望成为人类在外星球建立定居点的先头部队。


  英国皇家科学院andy cooper院士在评价“小来”的工作时表示:“人工智能赋能材料合成是一个具有前景的创新领域,极有可能广泛应用到所有类型的化学研究中。”


  自诞生起就吸引全球研究者目光的“小来”还在以不可思议的速度成长进化。罗毅畅想:“利用机器化学家平台,我们致力于建立超大规模谱学大模型,发展基于谱学的通用化学智能,打造真正的最强化学大脑。”


  在不远的将来,机器化学家平台有望成百上千倍地扩大规模,多地联动,实现多种不同形态的智能机器人协同操作多种功能的智能化学工作站,日均完成万次以上化学实验操作,应对日益复杂和深入的科学问题,满足航空航天、医疗卫生、材料科学、化工原料、生物医药等领域的研发需求。


  (作者:江俊,系中国科学技术大学教授)


  本文图片均由中国科学技术大学提供


  《光明日报》( 2023年12月31日 06版)


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