AI化學家誕生:1天可做500個實驗,自主開發新材料

2021-01-22 鈦媒體APP

圖片來源@全景視覺

文丨學術頭條

近日，來自北卡羅萊納州立大學和布法羅大學的研究人員開發了一項名為「人工化學家」的技術，該技術結合了人工智慧（AI）和執行化學反應的自動化系統，以加速研發和生產商業所需的新化學材料。

以往的人工智慧大部分生活在硬碟和內存裡，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。

「人工化學家就像一個真正的自主導航系統，在紛繁複雜的化學宇宙裡穿梭。」論文通訊作者、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 給了人工化學家的工作過程一個生動的比喻。

強大的人工化學家

在基於概念推論進行實驗驗證的過程中，研究人員發現，人工化學家可以在最多 15 分鐘內識別並生成任何顏色的可能的最佳量子點。

量子點又稱為半導體螢光納米晶，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，粒徑一般小於 20 納米。由於具有尺寸限域、量子限域等多個效應，展現出許多不同於宏觀物質的光學及物理特性，因而在光學、電學、磁介質、催化、醫藥、生命科學、功能材料等領域具有極為廣闊的應用前景。

量子點由於電子-空穴被量子限域，連續的能帶結構變成具有分子特性的分立能級結構，受激後可以發射不同波長的螢光，並具有獨特優異的發光特性，因而成為新一代螢光材料。

不僅如此，隨後研究人員指出，人工化學家可以識別出滿足任何已知屬性的最佳材料——而不僅僅是量子點。

就目前來說，人工化學是為溶液處理材料設計的，這意味著它適用於尋找那些可以使用液體化學前體製造的材料。溶液處理材料包括量子點、金屬/金屬氧化物納米顆粒、金屬有機骨架(MOFs)等高價值材料。

「人工化學家類似於自動駕駛汽車，但自動駕駛汽車至少有有限的路線可供選擇，以便到達預先選定的目的地。而使用人工化學家時，你只用提供給他一組代表著材料屬性的參數。」Abolhasani 補充道。

輸入參數後，人工化學家可以自己判定出所需要的的其他數據，比如：化學前體是什麼，以及合成路線是什麼，並且能在自主探索的同時，儘量減少這些化學前體的消耗。

Abolhasani 表示：「研究的最終理想結果就是能探究出一種完全自主的材料開發技術，這種技術不僅能幫助你最快地找到理想的液體化學材料，而且還能儘可能少地消耗化學前體。這大大減少了浪費，也大大降低了材料開發過程的成本。」

AI 大腦+自動化身體

值得一提的是，這位人工化學家不僅有一個執行實驗並感知實驗結果的「本體」，還有一個記錄數據並利用它來決定下一個實驗是什麼的「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。人工化學家平臺已經證明它每天可以進行 500 個量子點合成實驗，儘管 Abolhasani 估計它實際上可以進行 1000 個。

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，並利用這些數據對下一組的實驗條件做出自主決定。它是基於在滿足材料的期望屬性和性能指標的基礎之上，決定如何最快最有效的探究出最佳材料的組成結構。

「我們試圖模仿人類做決定的過程，但事實上，人工化學家的決定過程更有效率。」Abolhasani 表示。

例如，人工化學家可以進行「知識迭代」過程，這意味著它存儲了它收到的每個請求所生成的數據，從而加快識別下一個候選材料的過程。換句話說，隨著時間的推移，人工化學家在識別正確的化學物質時將會變得越來越高效。

為了證明他們的推論，研究人員測試了人工智慧如何使用數據來決定下一個實驗是什麼。然後，他們進行了一系列的請求，每次都要求人工化學家識別出最適合三個不同輸出參數的量子點材料。

「我們發現，即使人工化學家沒有先驗知識，它也能在 25 個實驗後或大約一個半小時內識別出最好的量子點，」Abolhasani 說：「但一旦人工化學家有了先驗知識——這意味著它已經處理了一個或多個目標材料請求——它就能在 10 到 15 分鐘內確定具有新特性的最佳材料。」

「我們發現，人工化學家還可以快速識別給定一組起始化學前體的材料性質邊界，這樣化學家和材料科學家就不需要浪費時間探索不同的合成條件。

「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製造的未來，」Abolhasani 說，「我現在正在尋找合作夥伴，幫助我們將這項技術從實驗室轉移到工業市場。」

資料來源：https://news.ncsu.edu/2020/06/artificial-chemist/Robert W. Epps, Michael S. Bowen, Amanda A. Volk, Kameel AbdelLatif, 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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