8天做688個實驗，每天工作21.5小時，機器人現超強戰鬥力

為了做（an）好（shi）科（bi）研（ye），許多研究生每天大多數時間都泡在實驗室裡。相比於 996 的上班族，不少自嘲為「科研民工」的研究生的工作時間也毫不遜色。但如果你只是缺乏創造力、按部就班地在實驗室「搬磚」（尤其是學化學的），現在，你可能有麻煩了。

在最新一期《自然》雜誌的封面文章中，利物浦大學的科學家利用一款機器人「化學家」，設計出了效率更高的光催化劑。這個機器人不僅幹活利索、操作速度遠超人類，就連勤奮度你也贏不過它——每天除了充電的 2.5 個小時，機器人可以全天候工作。不過不用過分擔心——只要你有好的科學想法，機器人再快也搶不走你的飯碗。

藉助機器人完成化學實驗，已經並不是第一次見諸報端了。人工智慧正在幫助科學家預測化合物性質、研發新藥物。與此同時，一些機器人也在實驗操作中嶄露頭角。不過，它們與其說是科學家，不如說只是實驗室中的工具「人」——安裝了特定硬體設備，可以按照指令完成實驗的某個步驟，僅此而已。那麼，利物浦大學安德魯·庫珀（Andrew Cooper）團隊開發的這款實驗室機器人，有什麼不同呢？

這款機器人身高 1.75 米，但它的體重足足有 400 千克。除了本身的材料更重之外，機器人還有一個巨大的立方體底座，不僅裝載了機器人的「大腦」，還讓它能夠在實驗室的不同工作檯之間自由移動。

機器人移動時依靠的不是視覺系統，而是將雷射掃描與觸覺反饋相結合，從而完成定位。因此，即使在黑暗的環境中，它也能自由移動、順利完成實驗。這樣的好處可不僅是在夜晚壓榨機器人時可以省下電費，還有助於完成一些需要黑暗環境的光敏反應。

圖片來源：安德魯·庫珀

腳下靈活的機器人，手頭上的操作能力更是勝過人類操作員。從給固體試劑稱重、配製液體試劑、抽出容器中的空氣、啟動催化反應再到計量反應產物，這臺機器人可以獨立完成一項化學實驗中的全部操作流程。在庫珀的化學實驗室中，機器人每天的工作時長為 21.5 個小時。而剩下的 2.5 小時呢，不是機器人不想幹，而是它必須得停下來充會電了。

機器人在實驗室中的一天

尋找高效催化劑

在這篇《自然》論文中，機器人的任務是提升將水分解成氫氣（即析氫反應）的反應效率。當然，機器人並不是從零開始嘗試，化學家已經找到了一些有著不錯效果的光催化劑。而機器人的工作，是通過改變實驗條件進一步提升其催化效果。

在這項研究中，機器人的目標是一種被稱作 P10 的共軛有機聚合物。之前的研究已經發現，P10 在空穴捕獲劑存在時，對析氫反應有著不錯的催化效果。（光催化劑在光的激發下，產生空穴和電子。而空穴捕獲劑可以消耗空穴，防止空穴與電子結合，從而提升了催化反應效率。）

機器人的第一項工作是從 30 款候選空穴捕獲劑中，找到了最具潛力的一個——L-半胱氨酸。為了進一步提升析氫反應的效率，研究人員提出了 5 套候選方案：

1. 通過染料增強對光的吸收能力；

2. 添加氫氧化鈉，從而改變溶液 pH 值；

3. 加入氯化鈉，增加離子強度；

4. 通過表面活性劑改變催化劑的潤溼性；

5. 加入二矽酸鈉，因為研究人員認為二矽酸鈉有可能提升 L-半胱氨酸的效果。

儘管提出了這些假設，但要從這些變量中篩選出有用的選項，並且找到最佳用量，需要花費研究人員大量時間。這時，就輪到機器人發揮實力了。

8 天完成實驗

為了通過實驗篩選出效率最高的反應條件，機器人需要同時改變 3 種染料、氫氧化鈉濃度、氯化鈉濃度、兩種表面活性劑以及二矽酸鈉濃度。再加上 P10 和 L-半胱氨酸的濃度，機器人需要同時對 10 個維度進行思考。

要遍歷完所有組合，需要進行 9800 萬次操作，這顯然不切實際。為此，研究人員為機器人開發了一套算法。通過貝葉斯優化，機器人可以在實驗過程中根據前一輪實驗的結果，自主選擇接下來的實驗參數。這樣的設置顯著提升了搜索效率。

機器人通過最初的 22 次摸索很快發現，加入氯化鈉可以小幅提升析氫反應的效率。而在大約 150 次實驗，也就是經過兩天的嘗試之後，機器人排除了 3 種染料以及兩種表面活性劑。

最終，機器人找到了讓析氫反應達到最高效率的實驗條件：在 5 毫升的水中，加入 5 毫克 P10、6 毫克氫氧化鈉、200 毫克 L-半胱氨酸和 7.5 毫克二矽酸鈉。在這樣的條件下，光催化劑的活性提升了 5 倍。

為了實現這一目標，機器人付出了多少努力呢？花費 8 天時間，工作 172 小時；移動了 319 次，移動總距離 2.17 千米；進行了 6500 項操作，實施了 43 批、共 688 次實驗。

論文指出，人類科學家要達到這一目標，需要進行數月的嘗試。一個鮮明的對比是，操作人員完成一次實驗需要半天時間，而機器人的速度是人類手工操作的 1000 倍。

手速驚人的機器人「化學家」

機器人：團隊新成員

在這項特定的研究中，相比於人類，機器人「化學家」展現出諸多優勢。除了速度上的巨大優勢，機器人不會像人類一樣產生確認性偏差，並且犯錯的機率也較低。這項研究中負責編程的利物浦大學博士生班傑明· 伯格（Benjamin Burger）表示，最大的挑戰是讓系統具有魯棒性。一旦做到這一點，機器人在工作中犯錯的機率將遠低於人類。並且由於實驗室有攝像頭監控，一旦出錯，研究人員也可以遠程重啟。

另外值得一提的是，研究人員幾乎不需要為機器人特地改造實驗室。在這項研究中，除了為該試驗流程而搭建的光解臺，其他工作檯都沒有經過改造——也就是說，人類科學家使用的儀器設備，機器人可以直接拿來使用。

論文還認為，機器人的能力還能得到進一步提升。這項研究中，它同時處理 10 個維度的信息，而通過修改算法，可以讓機器人同時在 20 個維度上進行思考。

不過，現在可以說機器人「化學家」超越人類了嗎？相信你已經注意到，雖然實驗操作過程是機器人加以思考，並且獨立自主完成的，但設計出這一課題、提出 5 套候選方案以及候選化學試劑的，都是人類化學家。因此，雖然機器人能夠對實驗過程進行獨到的思考，但這樣的科學思想，是機器人尚未具備的能力。

在領導這項研究的庫珀看來，研發這款機器人的目的不是取代化學家，而是讓實驗自動化。這些機器人將成為研究團隊的一員，它們高效完成實驗工作，從而讓人類研究者擁有更多時間進行創造性思考。

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