AI「試驗廚房」在路上:讓機器為新材料的發掘按下快進鍵

2020-12-05 雷鋒網

在多倫多大學，Ted Sargent經營著一個類似的試驗廚房。他的團隊由研究人員和學生組成，開發食譜，仔細測量和混合配料，然後評估後果。

Sargent團隊的構想之一，其實是用二氧化碳做飯。電氣工程師出身的Sargent說，他們的目標是發明配方，把溫室氣體「升級」成有用的材料。未來的工廠和發電廠可以利用可再生能源，將二氧化碳轉化為可以出售的原材料，或者把它們「抓起來」封存在地下，而不是將汙染物直接排放到空氣中。

有一類很有前景的配方，是將二氧化碳與其他反應物電轟擊，將其轉化為由兩個碳原子和四個氫組成的六原子分子乙烯。乙烯是一種用來製造普通塑料的原料，包括超市和拉鏈袋中的塑料。Sargent認為這是一種很有商業價值的化學品，背後會是大約600億美元的市場規模。

二氧化碳「升級」圖

不過，Sargent工作的真正意義不只是他的食譜多麼有意思——他在用人工智慧做飯。

Sargent團隊通過使用新的人工智慧和超級計算機驅動的技術，發現了製造乙烯的新成分，而這些技術在過去十年裡在材料科學家中越來越受歡迎。

Sargent與卡內基梅隆大學的Zachary Ulissi合作，後者專門研究如何利用算法發明新材料。

Ulissi模擬了12229張共244種不同晶體的顯微特寫照片，瞄準了最有希望製造乙烯的候選晶體。特別是，他們希望找到一種材料，能讓二氧化碳分解過程中產生的一氧化碳分子更容易粘附。

Ulissi用一臺超級計算機進行了一小部分模擬，但這項任務太費時間了，不可能完成所有12229張特寫。又所以他用這些超級計算的結果訓練了一個機器學習算法，讓機器學會怎麼快速進行剩下的模擬。

在多倫多大學，Ted Sargent用類似的電子設備來「升級」二氧化碳

這些基於計算機的方法為研究人員發現新材料提供了一個更快、更全面的策略。科學家要發現一種材料，完成微調，然後再讓其進入到商業化階段，這整個過程可能需要20年甚至更多。

正如愛迪生的故事那樣，在19世紀70年代，他測試了3000多種不同的材料，試圖為第一個價格合理的白熾燈泡找到合適的燈絲。結果，下個世紀的燈絲是由鎢製成的，是愛迪生從未嘗試過的一種材料。

同樣地，多倫多/卡內基梅隆大學的團隊可能也沒有找到那個「制勝關鍵」。他們的配方需要大量的電力來製造，這意味著現在用二氧化碳生產乙烯是無利可圖的。

Sargent和他的同事正在努力設計更經濟可行的食譜。上周《自然》雜誌刊登的最新研究中，他們報導了多種新材料的發現，也就是所謂的催化劑，這些新材料能夠更快、更節能地將二氧化碳轉化為乙烯。這些催化劑可能是最終使這項技術具有可擴展性的「秘密武器」。

「我們需要減少碳足跡，但我們也不想因此而犧牲世界各地的繁榮。」Sargent說。

有了計算機，材料配方不再嚴格局限於單個科學家的專業知識。為了找到他們的催化劑，Ulissi和Sargent的團隊使用了一個名為Materials Project的公共資料庫，該資料庫旨在將材料科學家作為一個類似Google的搜尋引擎來服務。

這個網站包含了超過12萬種不同無機化合物的數據。任何人都可以登錄，指定他們想研究的原子元素和化學性質，並迅速找到許多候選材料。

科學家們找到讓二氧化碳變成塑料的辦法

舉個例子，Sargent和Ulissi從以前的經驗中知道，含銅材料是很好的催化劑，因此他們專門針對由銅製成的非活性合金搜索材料項目，該網站建議從244種晶體開始著手研發。

從這個列表中，算法指出，含鋁銅合金可能是最合適的。當這些算法預測出最佳鋁銅比以及兩種金屬的混合均勻程度時，實驗室的科學家根據這些預測合成了材料，並將結果反饋到算法中。

計算機和科學家們的「天作之合」，使得他們在實驗室中發現並生產出17種高效催化劑。

現在更多的科學家依靠計算機工具來發明新材料。勞倫斯伯克利國家實驗室的物理學家Kristin Persson說：「在過去的20年裡，確實發生了一場範式的變化。」她表示，計算技術「已經從小眾應用轉向推動創新」。

2017年，波音公司下屬的研究人員報告說，他們利用AI發明了一種用於3D列印飛機部件的粉末合金。同年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員使用AI設計了一種合金，這種合金可以反覆加熱和冷卻而不會減弱。

去年7月，杜拉塞爾公司推出了一款名為Optimum的新型電池，它所含有的新材料，是Persson在2004年首次通過計算機模擬發現的。

石油巨頭BP最近也與初創公司Kebotix建立了合作夥伴關係，這家總部位於麻薩諸塞州的公司開發了一種AI驅動的工具，以用於設計更環保的塑料配方。

但是，就算使用了AI和超級計算機，Ulissi和Sargent的團隊還是花了大約三年的時間，來鑑定和測試這些新的催化劑。

Persson說，目前的瓶頸是在實驗室中混合和測試化學物質——算法確實可以起到很大的作用，但你仍然需要在工作檯上測試所有的想法。

「我們不能僱傭學校裡的每一個研究生都站在流水線上，去嘗試各種各樣的可能性，而這些可能性正是計算結果向他們拋出的。」Persson認為，將機器人納入工作流程將加快材料的發現，這是材料研究的必經之路。

事實上，Kebotix已經開始使用機器人來發現化學物質，執行長Jill Becker將其稱為「自動駕駛實驗室」（auto-driving laboratory）：計算機模擬為新材料的配方提供建議，機器人則對這些配方進行測試。、

Kebotix的客戶可以選擇獨立使用這些功能，最近就有一家國家衛生研究院實驗室使用他們的AI軟體，更有效地進行藥物開發實驗。

不過，有了機器人，材料的發現還是需要人類的監督。Sargent表示，算法不是非常精確，合成新材料仍然需要「相當數量的手工製作」。

「實驗主義者不會讓理論家感到驚訝。就算有立式攪拌機、Instapots和麵包機，廚房仍然需要一名廚師。」Sargent說。

雷鋒網編譯，via WIRED：https://www.wired.com/story/this-lab-cooks-with-ai-to-make-new-materials/

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