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文丨學(xué)術(shù)頭條
近日，來(lái)自北卡羅萊納州立大學(xué)和布法羅大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)名為“人工化學(xué)家”的技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了人工智能（AI）和執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)的自動(dòng)化系統(tǒng)，以加速研發(fā)和生產(chǎn)商業(yè)所需的新化學(xué)材料。
以往的人工智能大部分生活在硬盤(pán)和內(nèi)存里，人工化學(xué)家則突破了“次元壁”，能直接將自己的“想法”在現(xiàn)實(shí)世界中通過(guò)物理手段來(lái)驗(yàn)證。
“人工化學(xué)家就像一個(gè)真正的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，在紛繁復(fù)雜的化學(xué)宇宙里穿梭?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⒈笨_萊納州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程學(xué)的助理教授 Abolhasani 給了人工化學(xué)家的工作過(guò)程一個(gè)生動(dòng)的比喻。
強(qiáng)大的人工化學(xué)家
在基于概念推論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，人工化學(xué)家可以在最多 15 分鐘內(nèi)識(shí)別并生成任何顏色的可能的最佳量子點(diǎn)。
量子點(diǎn)又稱(chēng)為半導(dǎo)體熒光納米晶，主要是由 II-VI 族元素（如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等）和 III-V 族元素（如 InP、InAs 等）組 成的納米顆粒，粒徑一般小于 20 納米。由于具有尺寸限域、量子限域等多個(gè)效應(yīng)，展現(xiàn)出許多不同于宏觀(guān)物質(zhì)的光學(xué)及物理特性，因而在光學(xué)、電學(xué)、磁介質(zhì)、催化、醫(yī)藥、生命科學(xué)、功能材料等領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景。
量子點(diǎn)由于電子-空穴被量子限域，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有分子特性的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)，受激后可以發(fā)射不同波長(zhǎng)的熒光，并具有獨(dú)特優(yōu)異的發(fā)光特性，因而成為新一代熒光材料。
不僅如此，隨后研究人員指出，人工化學(xué)家可以識(shí)別出滿(mǎn)足任何已知屬性的最佳材料——而不僅僅是量子點(diǎn)。
就目前來(lái)說(shuō)，人工化學(xué)是為溶液處理材料設(shè)計(jì)的，這意味著它適用于尋找那些可以使用液體化學(xué)前體制造的材料。溶液處理材料包括量子點(diǎn)、金屬/金屬氧化物納米顆粒、金屬有機(jī)骨架(MOFs)等高價(jià)值材料。
“人工化學(xué)家類(lèi)似于自動(dòng)駕駛汽車(chē)，但自動(dòng)駕駛汽車(chē)至少有有限的路線(xiàn)可供選擇，以便到達(dá)預(yù)先選定的目的地。而使用人工化學(xué)家時(shí)，你只用提供給他一組代表著材料屬性的參數(shù)?！盇bolhasani 補(bǔ)充道。
輸入?yún)?shù)后，人工化學(xué)家可以自己判定出所需要的的其他數(shù)據(jù)，比如：化學(xué)前體是什么，以及合成路線(xiàn)是什么，并且能在自主探索的同時(shí)，盡量減少這些化學(xué)前體的消耗。
Abolhasani 表示：“研究的最終理想結(jié)果就是能探究出一種完全自主的材料開(kāi)發(fā)技術(shù)，這種技術(shù)不僅能幫助你最快地找到理想的液體化學(xué)材料，而且還能盡可能少地消耗化學(xué)前體。這大大減少了浪費(fèi)，也大大降低了材料開(kāi)發(fā)過(guò)程的成本?！?/p>
AI 大腦+自動(dòng)化身體
值得一提的是，這位人工化學(xué)家不僅有一個(gè)執(zhí)行實(shí)驗(yàn)并感知實(shí)驗(yàn)結(jié)果的“本體”，還有一個(gè)記錄數(shù)據(jù)并利用它來(lái)決定下一個(gè)實(shí)驗(yàn)是什么的“大腦”。
為了進(jìn)行概念驗(yàn)證測(cè)試，人工化學(xué)家’的身體整合了實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化納米晶體工廠(chǎng)和納米流體合成平臺(tái)。人工化學(xué)家平臺(tái)已經(jīng)證明它每天可以進(jìn)行 500 個(gè)量子點(diǎn)合成實(shí)驗(yàn)，盡管 Abolhasani 估計(jì)它實(shí)際上可以進(jìn)行 1000 個(gè)。
人工化學(xué)家的大腦是一個(gè) AI 程序，它通過(guò)識(shí)別和探索本體正在合成的材料形成獨(dú)特的數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)對(duì)下一組的實(shí)驗(yàn)條件做出自主決定。它是基于在滿(mǎn)足材料的期望屬性和性能指標(biāo)的基礎(chǔ)之上，決定如何最快最有效的探究出最佳材料的組成結(jié)構(gòu)。
“我們?cè)噲D模仿人類(lèi)做決定的過(guò)程，但事實(shí)上，人工化學(xué)家的決定過(guò)程更有效率?！盇bolhasani 表示。
例如，人工化學(xué)家可以進(jìn)行“知識(shí)迭代”過(guò)程，這意味著它存儲(chǔ)了它收到的每個(gè)請(qǐng)求所生成的數(shù)據(jù)，從而加快識(shí)別下一個(gè)候選材料的過(guò)程。換句話(huà)說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，人工化學(xué)家在識(shí)別正確的化學(xué)物質(zhì)時(shí)將會(huì)變得越來(lái)越高效。
為了證明他們的推論，研究人員測(cè)試了人工智能如何使用數(shù)據(jù)來(lái)決定下一個(gè)實(shí)驗(yàn)是什么。然后，他們進(jìn)行了一系列的請(qǐng)求，每次都要求人工化學(xué)家識(shí)別出最適合三個(gè)不同輸出參數(shù)的量子點(diǎn)材料。
“我們發(fā)現(xiàn)，即使人工化學(xué)家沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)，它也能在 25 個(gè)實(shí)驗(yàn)后或大約一個(gè)半小時(shí)內(nèi)識(shí)別出最好的量子點(diǎn)，”Abolhasani 說(shuō)：“但一旦人工化學(xué)家有了先驗(yàn)知識(shí)——這意味著它已經(jīng)處理了一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)材料請(qǐng)求——它就能在 10 到 15 分鐘內(nèi)確定具有新特性的最佳材料?！?/p>
“我們發(fā)現(xiàn)，人工化學(xué)家還可以快速識(shí)別給定一組起始化學(xué)前體的材料性質(zhì)邊界，這樣化學(xué)家和材料科學(xué)家就不需要浪費(fèi)時(shí)間探索不同的合成條件。
“我相信由人工化學(xué)家實(shí)現(xiàn)的自主材料研發(fā)可以重塑材料開(kāi)發(fā)和制造的未來(lái)，”Abolhasani 說(shuō)，“我現(xiàn)在正在尋找合作伙伴，幫助我們將這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到工業(yè)市場(chǎng)。”
資料來(lái)源：
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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