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    Nature封面:每天工作21.5小時的AI化學家,8天內完成688個實驗,已自主發現一種全新催化劑
    2020-07-10  來源:學術頭條( ID: SciTouTiao)

      日本現代機器人之父大阪大學教授石黑浩曾經表示,“人類的進化有兩種方式,一種是基因進化,還有一種是技術進化。而在他看來,技術層面的進化比基因層面的進化要快很多。”

      而他說提到的技術層面,就是指未來機器人會代替人類的軀干,幫助人類進行行動。

      雖然我們曾在電影中或睡夢里無數次看到過這種場景,但是,當人工智能機器人真的發展到這個地步,我們不免感嘆,未來自己還能做什么?

      近日,來自利物浦大學的研究人員,成功的開發了一款
    人工智能機器人化學家。

      這款機器人化學家
    具有人形特征,可以在標準實驗室中自己工作,像人類一樣使用各種實驗儀器。然而,與人類不同的是,這種機器人具有無限的耐心,可以同時考慮數十個維度的變量每天工作 21.5 個小時,剩下的時間用于暫停充電。

      更重要地是,這種機器人可以獨立思考,自主完成一系列的實驗操作。在第一次測試中
    ,這個 1.75 米高的 AI 機器人在 8 天時間里獨立完成了 668 個實驗,并研發出了一種全新的化學催化劑。這一重磅成果,以封面文章的形式發表在最新一期的 Nature 雜志上。


    最新一期 Nature 封面


      對此,本次研究的領導者、利物浦大學化學和材料系教授 Andrew Cooper 教授表示,“我們的想法是讓科研流程化,而不是讓機器流程化。人工智能實驗機器人的出現,可以讓我們的工作更靈活。它改變了我們工作的方式,它不僅是實驗室的一臺機器,也是一個具有超能力的實驗伙伴,它為人類騰出時間來進行創造性的思考。”


    永遠不會累的 AI 化學家

      根據研究人員介紹,這款機器人化學家,可以獨立執行化學實驗中的所有任務,例如稱量固體、分配液體、從容器中除去空氣,運行催化反應以及定量反應產物等,甚至它還可以對下一步需要進行什么化學實驗作出自己的決定。所有的這些實驗都是在實驗室中,由機器人本身來操作實驗工具來完成。

      而且,這種機器人
    具有類似于人類的尺寸和可觸及范圍,因此可以使用專為人類操作而設計的實驗設備。它結合了激光掃描和觸摸反饋來進行定位,可以在實驗室自由走動,執行各種任務。某種意義上來說,它就像人類研究員一樣,可以使用各種各樣的儀器。

      這種機器人功能如此強大,離不開研究人員為其設計的強大的人工智能算法。這種機器人的大腦,
    根據前一個實驗的結果,對 10 個維度的變量進行分析,可以在實驗室中從 1 億多個候選化學實驗中,確定下一步要進行的最佳實驗。


    不知疲倦地做實驗


    不分晝夜地做實驗


      因此,在第一次測試中,這種機器人便在沒有任何研究人員的指導下,8 天內進行了 688 次實驗,工作了 192 個小時,進行了 319 次移動,完成了 6500 次儀器操作,并自主發現了一種活性非常高的催化劑。



    啥都會使,啥都會做,關鍵是還有腦子

      對此,本次研究中參與機器人算法研究的 Benjamin Burger 博士表示,“在研發機器人的時候,最大的挑戰就是如何讓這個機器人的大腦耐用。因為機器人需要在多日內自主進行工作,并進行數千次精細操作,因此每項任務中,機器人的失敗率必須極低。但一旦機器人完成了這些實驗,與人類相比,它所犯的錯誤是一定會少很多。”

      同時,研究人員還表示,
    這種機器人可以解決目前我們無法掌握的大規模和復雜性實驗問題。例如,自主機器人可以通過自動搜索廣闊的、未開發的化學空間來尋找清潔能源材料或新藥配方。

    重塑化學研發的未來


      事實上,這并不是人類創造出來的第一個人工智能化學機器人。

      例如 2018 年,
    來自格拉斯哥大學的研究人員就訓練出了一個由人工智能驅動的化學合成機器人,從而使探索大量化學反應的過程實現自動化。該研究同樣發表在 Nature 雜志上。研究人員當時表示,這項新技術能夠變革分子的發現方式。

      只不過與這次 Nature 封面的自主機器人化學家不同,當時的這套機器人系統在一定程度上只能算是一個人工智能反應器。

      格拉斯哥大學的研究團隊使用這個機器人系統,對 18 種不同的起始化學物質組合而成的約 1000 個反應進行了搜索,從而展示了該系統的潛力。


      令人驚訝的結果是,僅在探索了大約 100 種可能的化學反應之后,機器人系統就能以超過 80% 的準確度來預測應該搜索哪些起始化學物質的組合,從而產生新的反應和分子。



      而就在上個月,來自北卡羅萊納州立大學和布法羅大學的研究人員也開發了一項“人工化學家”的技術,該技術結合了人工智能(AI)和執行化學反應的自動化系統,能夠加速研發和生產商業所需的新化學材料。

      值得一提的是,這位人工化學家不僅有一個執行實驗并感知實驗結果的“本體”,還有一個記錄數據并利用它來決定下一個實驗是什么的“大腦”。

      為了進行概念驗證測試,人工化學家’的身體整合了實驗室開發的自動化納米晶體工廠和納米流體合成平臺。人工化學家的大腦是一個 AI 程序,它通過識別和探索本體正在合成的材料形成獨特的數據,并利用這些數據對下一組的實驗條件做出自主決定。



      不得不說,以往的人工智能大部分生活在硬盤和內存里,人工化學家則突破了“次元壁”,能直接將自己的“想法”在現實世界中通過物理手段來驗證。

      正如北卡羅萊納州立大學化學和生物分子工程學的助理教授 Abolhasani 所說,“人工化學家就像一個真正的自主導航系統,在紛繁復雜的化學宇宙里穿梭。”

      “我相信由人工化學家實現的自主材料研發可以重塑材料開發和制造的未來。”Abolhasani 說。

    資料來源:
    https://www.nature.com/articles/s41586-020-2442-2
    https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/uol-lrb070620.php
    https://news.ncsu.edu/2020/06/artificial-chemist/
    Robert W. Epps, Michael S. Bowen, Amanda A. Volk, Kameel Abdel‐Latif, Suyong Han, Kristofer G. Reyes, Aram Amassian, Milad Abolhasani. Artificial Chemist: An Autonomous Quantum Dot Synthesis Bot. Advanced Materials, 2020; 2001626 DOI: 10.1002/adma.202001626

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