近日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院羅毅、江俊教授團(tuán)隊(duì)與自動(dòng)化系尚偉偉等合作，成功開發(fā)出了全球首個(gè)數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)的全流程機(jī)器化學(xué)家。
這一機(jī)器化學(xué)家可以快速學(xué)習(xí)文獻(xiàn)、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、智能操作實(shí)驗(yàn)等，“不知疲倦”地從龐大可能的組合中找到最優(yōu)解來加快材料研發(fā)，基于優(yōu)化策略，大幅縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，助力精準(zhǔn)化學(xué)創(chuàng)制。
1400年的實(shí)驗(yàn)時(shí)間被縮短至5周
如今，化學(xué)研究的對象日益復(fù)雜化、高維化，不過，傳統(tǒng)的研究范式主要是依賴于“窮舉”“試錯(cuò)”的手段。面對龐大的化學(xué)空間，相關(guān)化學(xué)創(chuàng)制中的配方和工藝的搜索常止步于局部最優(yōu)，無法進(jìn)行全局探索。科大研制的機(jī)器化學(xué)家，以開發(fā)潛力巨大的高熵化合物催化劑為例，我們便能領(lǐng)略機(jī)器化學(xué)家的“過人本領(lǐng)”。
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“高熵材料具有高混亂、高無序、高復(fù)雜度的特點(diǎn)，能夠提高能源電池的穩(wěn)定性，對新能源產(chǎn)業(yè)也很重要。”中國科大物理化學(xué)專業(yè)博士生趙路遠(yuǎn)舉例。不過，正由于其多種元素的高度無序混合帶來的高穩(wěn)定性，給催化劑開發(fā)過程中，人工試驗(yàn)找出最優(yōu)配比的工作帶來了極大挑戰(zhàn)，想要獲得最優(yōu)配方，需要遍歷測試十分龐大的化學(xué)配比組合。“我們從29種非貴金屬元素選出5種來做高熵組合，可能的組合就有11萬8千多種。如果用‘窮舉’法，靠我一個(gè)人，窮極一生也基本不可能找到最優(yōu)組合。”
不過，機(jī)器化學(xué)家就可以在這一課題的最開始，就通過運(yùn)算“找到”最佳的“解題思路”。發(fā)揮數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和智能優(yōu)化的優(yōu)勢，機(jī)器化學(xué)家用“智慧大腦”汲取前人的化學(xué)智慧，在快速智能閱讀16000篇論文后，自主遴選出5種非貴金屬元素。
“雖然選出了5種元素，但要找到他們的最佳配比，還有超過50萬種可能的組合。而且我們還需要進(jìn)行一系列合成材料、表征結(jié)構(gòu)、性能測試等工作。就算我們?nèi)M人員一起做實(shí)驗(yàn)，最少也要1400年才能做完。”趙路遠(yuǎn)說。
而機(jī)器人化學(xué)家可以用數(shù)據(jù)智能，實(shí)現(xiàn)全局搜索。過程中，它融合了2萬組理論計(jì)算數(shù)據(jù)和207組全流程機(jī)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了理實(shí)交融的智能模型。針對高熵催化劑，它自動(dòng)完成合成、表征到測試的研制全流程工作，生產(chǎn)了高質(zhì)量的實(shí)測數(shù)據(jù)。指導(dǎo)“貝葉斯優(yōu)化程序”從這55萬種可能的金屬配比中，找出最優(yōu)的高熵催化劑，將傳統(tǒng)需消耗大量人力、物力、時(shí)間等的“炒菜式”遍歷搜索所需的1400年，縮短為5周。
將對化學(xué)科學(xué)產(chǎn)生巨大影響
在開發(fā)高熵化合物催化劑中的表現(xiàn)，只是機(jī)器人化學(xué)家本領(lǐng)的一次展示，它的未來更有著無限可能。
“目前，機(jī)器人化學(xué)家已經(jīng)可以幫助我們解決很多關(guān)鍵的科學(xué)問題，用精準(zhǔn)智能的新范式高效地創(chuàng)造更多有用的化學(xué)品。”研究人員表示。機(jī)器化學(xué)家平臺(tái)具有很強(qiáng)的化學(xué)智能和廣泛的化學(xué)品開發(fā)能力，目前已涵蓋光催化與電催化材料、發(fā)光分子、光學(xué)薄膜材料等，且適用范圍將隨平臺(tái)升級和拓展繼續(xù)擴(kuò)大。
研究人員介紹，機(jī)器化學(xué)家平臺(tái)不止是能幫助人們科學(xué)實(shí)驗(yàn)，它的“技能”包含了很多。例如，可采用機(jī)器智能去查找和閱讀文獻(xiàn)，從海量研究數(shù)據(jù)中汲取專家經(jīng)驗(yàn)，在前人知識(shí)與數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出科學(xué)假說并制定實(shí)驗(yàn)方案;調(diào)度移動(dòng)機(jī)器人和自主開發(fā)的智能化學(xué)工作站，完成高通量合成、物性表征、性能測試的化學(xué)實(shí)驗(yàn)全流程;實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、分析和可視化;獨(dú)有的計(jì)算大腦通過調(diào)用物理模型、理論計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等，讓智能模型融入底層的理論規(guī)律與復(fù)雜的化學(xué)實(shí)驗(yàn)演化，使得機(jī)器科學(xué)家更加理解化學(xué)，更加擅長化學(xué)創(chuàng)造。
科大研制的機(jī)器人化學(xué)家脫離了傳統(tǒng)試錯(cuò)研究范式的限制，展現(xiàn)了“最強(qiáng)化學(xué)大腦”指導(dǎo)的智能新范式的巨大優(yōu)勢，將引領(lǐng)化學(xué)研究朝著知識(shí)理解數(shù)字化、操作指令化、創(chuàng)制模板化的未來趨勢前進(jìn)。相關(guān)研究成果已于2022年9月發(fā)表在《國家科學(xué)評論》上，國際審稿人評價(jià)該成果的“機(jī)器人系統(tǒng)、工作站和智能化學(xué)大腦都是最先進(jìn)的”，“將對化學(xué)科學(xué)產(chǎn)生巨大影響”。(合報(bào)全媒體記者 劉暢司晨)