“AI+機器人”為合成化學(xué)研發(fā)注能

如何從不斷“試錯”和手工“搖瓶子”中突圍？

當(dāng)下，合成化學(xué)領(lǐng)域正經(jīng)歷一場深刻的范式轉(zhuǎn)型，其研發(fā)核心動力加速從傳統(tǒng)的“經(jīng)驗驅(qū)動”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動”和“智能驅(qū)動”躍遷。引領(lǐng)這一變革的核心引擎，正是“機器人融合人工智能（AI）”，即智能自動化實驗平臺與AI技術(shù)的深度耦合。

日前，由深圳晶泰科技有限公司（以下簡稱晶泰科技）主辦的“合成化學(xué)研究新范式—機器人融合AI研討會”在上海舉辦，業(yè)內(nèi)專家探討了如何利用這兩股強大的技術(shù)浪潮，為合成化學(xué)學(xué)科注入新活力。

新范式注能研發(fā)效率 以自動化程序替代傳統(tǒng)試錯

近年來，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，合成化學(xué)不斷“試錯”和手工“搖瓶子”的傳統(tǒng)研發(fā)范式，已無法滿足社會對新材料開發(fā)的需求。因此，讓不知疲倦的自動化設(shè)備根據(jù)設(shè)定好的程序代替人去做實驗，讓重復(fù)性的化學(xué)實驗變得精確、高效，正在成為科研人員的新追求。

有“AI+機器人”參與的合成化學(xué)新范式，能有多強？中國工程院院士、中國石化上海石油化工研究院院長楊為民舉例說，在石油化工領(lǐng)域一種新催化劑的開發(fā)常常需“十年磨一劍”。而高通量技術(shù)平臺的引入改變了傳統(tǒng)研發(fā)范式，研究人員只需通過高通量計算系統(tǒng)性地設(shè)計上千種不同的催化劑配方，再讓自動化平臺快速篩選，就能快速找到傳統(tǒng)方法需要花費大量人力才能得到的規(guī)律，獲得性能更優(yōu)的材料。通過這樣的工作模式，他們成功開發(fā)出一種納米片狀分子篩，解決了利用煉廠廢氣生產(chǎn)高價值化學(xué)品的難題，并已在全國多套工業(yè)裝置上應(yīng)用。

而深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，更讓合成化學(xué)研發(fā)效率上了一個新臺階——陶氏化學(xué)應(yīng)用微軟AzureAI等定制機器學(xué)習(xí)技術(shù)，將傳統(tǒng)聚氨酯材料研發(fā)4~6個月的工作量在30秒內(nèi)完成，效率提升20萬倍。用機器人等自動化技術(shù)來高效做實驗，部分解放化學(xué)家的雙手，已成為很多人眼中合成化學(xué)的未來愿景。

新技術(shù)注能研發(fā)操作 打造智能自主實驗平臺

當(dāng)前，基于AI模型來推進實驗預(yù)測和設(shè)計，以機器人自動化技術(shù)提升實驗效能，已大大改變了合成化學(xué)研發(fā)的具體操作。

“我們原來做化學(xué)實驗，平均每個學(xué)生一天做一個。使用晶泰的智能合成工作站后，一次能做48個實驗，效率提升很快。”中國科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)教授麻生明對其研究團隊與晶泰科技合作開發(fā)的末端炔烴烯丙基化（ATA）反應(yīng)研究的自動化合成平臺贊賞有加。

據(jù)晶泰科技聯(lián)合創(chuàng)始人、首席執(zhí)行官馬健介紹，該平臺以領(lǐng)域?qū)Ｓ蠥I模型為核心，專職負責(zé)實驗流程設(shè)計、反應(yīng)預(yù)測等前期部署和過程推進；以自動化技術(shù)驅(qū)動機器人工作站為“雙手”，實現(xiàn)高精度、高通量、更安全的化學(xué)操作。在此過程中，通過機器人收集的數(shù)據(jù)反哺AI模型，形成預(yù)測更準、設(shè)計更優(yōu)的良性循環(huán)。目前，該平臺已積累超過兩百萬條結(jié)構(gòu)化化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)，預(yù)測能力涵蓋大多數(shù)常見合成反應(yīng)類型與合成化學(xué)研究場景。

深度原理創(chuàng)始人、CTO段辰儒指出，生成式AI為探索龐大化學(xué)空間提供了新范式。其中，擴散模型能高效生成化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)、發(fā)現(xiàn)新反應(yīng)，突破人類經(jīng)驗邊界。他認為，未來需結(jié)合可合成性探索、科學(xué)計算與自動化實驗，推動AI更深層次助力新材料發(fā)現(xiàn)。

新思辨注能研發(fā)模式 培訓(xùn)合成化學(xué)AI研發(fā)助手

去年7月，全球首個AI化學(xué)機器人登上《自然》雜志封面。據(jù)介紹，它僅用8天就自主完成688個實驗，并從中發(fā)現(xiàn)了比初始配方活性高6倍的光催化劑。AI是否已經(jīng)可以做到取代化學(xué)家來設(shè)計實驗？

與會專家表示：還不行。在化學(xué)領(lǐng)域，目前AI更多是高效的“幫手”，而非替代者。

清華大學(xué)教授羅三中指出，AI應(yīng)用于合成化學(xué)面臨數(shù)據(jù)缺乏、反應(yīng)復(fù)雜性高等挑戰(zhàn)，國內(nèi)尚未形成自主合成化學(xué)數(shù)據(jù)庫。AI可輔助新反應(yīng)發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化，但需以問題為驅(qū)動，結(jié)合有限自動化與人類認知實現(xiàn)智能分子創(chuàng)制。

浙江大學(xué)化學(xué)系研究員洪鑫提供了一條應(yīng)對挑戰(zhàn)的可行路徑。他所在的研發(fā)團隊設(shè)計了一種“層級學(xué)習(xí)”框架，讓AI能夠逐步逼近目標的構(gòu)效空間。例如，在開發(fā)一種新型的鎳催化劑時，他們首先利用了大量類似機制的鈀催化劑文獻訓(xùn)練基礎(chǔ)模型。然后，再用少量鎳催化劑數(shù)據(jù)對模型進行微調(diào)和校正。通過這種方式，他們成功地預(yù)測并合成出一種高效、高選擇性的新催化劑配體，展示了AI在“小數(shù)據(jù)”場景下實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)的潛力。

除了使用“知識遷移”的方式訓(xùn)練更準確的知識模型，使用AI讓自動化變得更加“聰明”也是未來提升合成化學(xué)效率的一條路徑。馬健表示，晶泰科技正在與業(yè)內(nèi)專家展開深度合作，目標是建設(shè)能夠分析實驗結(jié)果，并自主設(shè)計和優(yōu)化、啟動下一次實驗，形成“設(shè)計—執(zhí)行—學(xué)習(xí)”快速迭代閉環(huán)的“自動駕駛實驗室”。

“化學(xué)發(fā)現(xiàn)很多時候是基于偶然‘靈光一現(xiàn)’，而通過已有知識訓(xùn)練出來的機器的解讀常常泯滅這種偶然性的發(fā)現(xiàn)。因此，最終的科學(xué)洞察仍需人腦來完成。但我非常期待‘AI+機器人’能給合成化學(xué)帶來新的發(fā)展可能。”麻生明說。