而在化學(xué)工程領(lǐng)域，利用人工智能來輔助合成規(guī)劃和性能，為科學(xué)家提供了這樣一種前景：他們只需要一個(gè)想法和一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)連接，就可在最先進(jìn)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室里生成新分子。

　　2020年8月，國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)宣布推出RoboRXN化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，讓人們看到了將人工智能和實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化結(jié)合起來的潛力。該系統(tǒng)既可提供化學(xué)配方來生產(chǎn)目標(biāo)有機(jī)分子，還可以通過市售的硬件，如IBM的演示器將這些分子自動(dòng)合成。該演示器由位于瑞士Füllinsdorf 的Chemspeed Technologies公司制造，是一種Flex自動(dòng)合成工作站(圖1)。

　　圖1 IBM的RoboRXN化學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)合成分子的實(shí)時(shí)照片。在圖的左下方，可以看到自動(dòng)合成工作站6 個(gè)反應(yīng)室中的幾個(gè)。右邊帶著藍(lán)色瓶蓋的是裝有配料的廣口瓶。來源：IBM RoboRXN for Chemistry，經(jīng)許可

　　最好將RoboRXN分為兩部分進(jìn)行考慮，即合成器硬件以及經(jīng)化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)程序訓(xùn)練的人工智能算法“大腦”，其中化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)程序基于自然語言處理進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，從大約100 萬項(xiàng)專利中提取有用程序。該處理過程甚至可以將用英語編寫的非結(jié)構(gòu)化實(shí)驗(yàn)程序轉(zhuǎn)換為進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)所需的結(jié)構(gòu)化步驟，包括振蕩、攪拌和加熱等步驟。該系統(tǒng)的人工智能還可以預(yù)測(cè)復(fù)雜有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。

　　重要的是，對(duì)于有興趣設(shè)計(jì)和合成某些新的有機(jī)分子的科學(xué)家，該系統(tǒng)可以建議逆合成路線。換句話說，用戶告訴它需要什么分子，系統(tǒng)就會(huì)提供生產(chǎn)這種分子的各種實(shí)用配方選擇，主要提供用市售原料進(jìn)行反應(yīng)的配方。

　　IBM已經(jīng)通過其云應(yīng)用程序——RXN化學(xué)實(shí)驗(yàn)室將這一見解與人們無償分享。位于瑞士蘇黎世的IBM 歐洲研究中心的加速發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室(Accelerated Discovery at IBM ResearchEurope)的負(fù)責(zé)人Teodoro Laino說道：“挑戰(zhàn)在于，你能否通過收集過去200 年的所有知識(shí)，訓(xùn)練出能夠預(yù)測(cè)分子合成的模型，同時(shí)將這些知識(shí)轉(zhuǎn)化為可由商業(yè)自動(dòng)化硬件執(zhí)行的指令?”

　　RoboRXN的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，從本質(zhì)上講，這是可以做到的。首先，RoboRXN將化學(xué)配方轉(zhuǎn)換成機(jī)器可讀的指令，然后由一個(gè)能合成所需分子的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行該指令。那么，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中該如何應(yīng)用這樣的系統(tǒng)?

　　Laino 說道：“對(duì)這種系統(tǒng)感興趣的主要是制藥領(lǐng)域，近年來，制藥領(lǐng)域的化學(xué)品制造環(huán)節(jié)普遍外包。目前，越來越多的制藥企業(yè)開始關(guān)注由自己來制造化學(xué)品。有了人工智能組件，科學(xué)家無需像以往那樣必須花費(fèi)幾十年時(shí)間去開發(fā)某種化學(xué)品，自動(dòng)化硬件的出現(xiàn)，使得各種流程的作業(yè)時(shí)間擴(kuò)大到每天24 h?！?/p>

　　另一種實(shí)現(xiàn)人工智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的方法是實(shí)現(xiàn)研究和儀器的自動(dòng)化。在2020年3月的一次論證報(bào)告中，英國利物浦大學(xué)的化學(xué)教授兼材料創(chuàng)新公司(Materials InnovationFactory)主任Andrew Cooper 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，利用德國奧格斯堡庫卡公司(Kuka)生產(chǎn)的靈巧移動(dòng)機(jī)器人，研究用水生產(chǎn)氫氣的新型光催化劑(圖2)。

　　該機(jī)器人自主運(yùn)行了8天，完成了688項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分批進(jìn)行，分16批次，測(cè)試了由10種不同的化學(xué)溶液組成的混合物，其中包括一種催化劑、兩種表面活性劑和三種染料。隨后用氣相色譜法對(duì)每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定實(shí)驗(yàn)效能。Cooper 說道：“在這個(gè)自動(dòng)化機(jī)器人之前，學(xué)生每天只能親手做一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。雖然出于安全考慮，這個(gè)機(jī)器人運(yùn)行較慢，但它就像終結(jié)者——它永遠(yuǎn)不會(huì)停下來。它一周工作7天，一天工作24h，一次做16項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?！?/p>

　　圖2 英國利物浦大學(xué)Cooper 小組實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行中的“自動(dòng)化研究員”。庫卡移動(dòng)機(jī)器人(KUKA Mobile Robot)可在82 cm范圍內(nèi)自如移動(dòng)。該機(jī)器人通過結(jié)合激光掃描和觸摸反饋確定自身的位置，從而進(jìn)行精確定位。出于安全考慮，它移動(dòng)緩慢，但與人相比，該機(jī)器人系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)的速度很快，因?yàn)樗鰧?shí)驗(yàn)是批量進(jìn)行的，且“思考速度如閃電般快”，Andrew Cooper教授說道。來源：Andrew Cooper，經(jīng)許可

　　Cooper表示，能處理如此多的變量是機(jī)器學(xué)習(xí)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)的“研究空間”包含了近1億種可能的成分組合，該自動(dòng)化系統(tǒng)采用貝葉斯優(yōu)化算法來評(píng)估每個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果(此處指實(shí)驗(yàn)中氫的產(chǎn)量)，然后決定在下一批中試驗(yàn)?zāi)男┏煞值幕旌衔?。?dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某種組合效果好時(shí)，它會(huì)嘗試優(yōu)化該組合，同時(shí)繼續(xù)尋找“研究空間”中其他領(lǐng)域的成分。

　　Cooper 說道：“對(duì)于人類來說，在優(yōu)化的同時(shí)進(jìn)行新的嘗試是非常困難的。它的維數(shù)太高了，人類的大腦甚至無法將其概念化?！彼硎?，人類化學(xué)家傾向于一次測(cè)試一個(gè)變量，而這種人工智能方法恰恰相反，它一次就能改變所有變量，每批實(shí)驗(yàn)都對(duì)其機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光催化劑混合物的活性是初始配方的6倍。

　　Cooper 表示，自動(dòng)化研究的一大好處是，使提高實(shí)驗(yàn)室空間的處理能力變得更容易?！懊總€(gè)月我們都要增加一個(gè)新站點(diǎn)，以使我們的實(shí)驗(yàn)室空間變得更加復(fù)雜。目前我們正在研究X射線衍射。這項(xiàng)研究很重要，因?yàn)樗梢詭椭覀兇_定材料的結(jié)構(gòu)——不僅僅是材料可以做什么，更重要的是材料是什么?！盋ooper 400m2的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在有兩個(gè)機(jī)器人，還有兩個(gè)正在訂購中，所有這些機(jī)器人都可以作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)一起工作。

　　加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的研究人員也開發(fā)了一個(gè)由人工智能驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化材料科學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)旨在加速發(fā)現(xiàn)用于清潔能源技術(shù)的先進(jìn)材料。該“自動(dòng)駕駛”機(jī)器人平臺(tái)名為Ada，無需人工監(jiān)督即可生產(chǎn)和測(cè)試新型薄膜材料(圖3)。

　　在一項(xiàng)旨在最大化鈣鈦礦太陽能電池中常用的電子-空穴傳輸材料的載流子遷移率的實(shí)驗(yàn)中，Ada通過制備三種溶液(包括氧化劑和摻雜劑)的混合物來制備薄膜。該系統(tǒng)以摻雜劑的相對(duì)濃度和退火時(shí)間作為輸入變量，將這些混合物沉積到玻璃基板上，然后對(duì)其進(jìn)行退火。退火后，自動(dòng)測(cè)量每個(gè)樣品的電學(xué)和光學(xué)特性。每個(gè)實(shí)驗(yàn)周期需要20min。試驗(yàn)結(jié)束后，該系統(tǒng)采用貝葉斯優(yōu)化方法自行決定接下來要嘗試的變量組合。Ada確定最佳鈷濃度和退火時(shí)間用了35個(gè)循環(huán)(約12h)。

　　圖3 哥倫比亞大學(xué)的Ada 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)是一個(gè)“自動(dòng)駕駛”系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在加速用于清潔能源技術(shù)的新型薄膜材料的研發(fā)。中間左側(cè)的淺色柱子頂部有一個(gè)鉸接式機(jī)械臂。它前面的黑色柱子是一個(gè)基板存放架，正中間右側(cè)的淺色圓柱體是旋涂儀。來源：UBC，經(jīng)許可

　　與Cooper實(shí)驗(yàn)室中的機(jī)器人一樣，Ada通過將人工智能與自動(dòng)化結(jié)合起來，成功實(shí)現(xiàn)了在廣闊的實(shí)驗(yàn)空間中快速導(dǎo)航。Ada項(xiàng)目經(jīng)理Amanda Brown表示，Ada背后的加拿大團(tuán)隊(duì)目前有6個(gè)這樣的平臺(tái)，用于開展6個(gè)不同項(xiàng)目，其中一個(gè)旨在開發(fā)二氧化碳電解槽，以提高直接從空氣中捕獲碳的效果。

　　首席研究員兼不列顛哥倫比亞大學(xué)化學(xué)以及化學(xué)與生物工程學(xué)教授Curtis Berlinguette 說道：“這是一項(xiàng)集很多學(xué)科知識(shí)于一體的工作。我們的平臺(tái)是由機(jī)電工程師、機(jī)械工程師、化學(xué)家、材料科學(xué)家、程序員和機(jī)器學(xué)習(xí)專家共同搭建的?！?/p>

　　盡管這項(xiàng)工作前景不可限量，但人工智能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室在導(dǎo)航方面仍然存在許多限制。美國馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程學(xué)助理教授兼藥物發(fā)現(xiàn)與合成機(jī)器學(xué)習(xí)聯(lián)盟(Machine Learning for Pharmaceutical Discovery and Synthesis Consortium，由麻省理工學(xué)院與13家生物制藥和化學(xué)公司組成)成員Connor Coley說道：“總的來說，該領(lǐng)域的發(fā)展使得與更宏偉的目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的更加困難的問題開始得到解決，但我感覺我們已經(jīng)陷入這個(gè)概念驗(yàn)證階段很長一段時(shí)間了?！?/p>

　　Coley 表示，自動(dòng)化需要應(yīng)對(duì)一系列挑戰(zhàn)。Coley 的工作包括將人工智能驅(qū)動(dòng)的合成規(guī)劃與機(jī)器人自動(dòng)化結(jié)合起來，用以生產(chǎn)藥用化合物?！叭绻愕膶?shí)驗(yàn)規(guī)模不是很小，那么放熱反應(yīng)就是一個(gè)問題。作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)，我們?cè)跈C(jī)器人分配固體藥劑方面的工作仍然相對(duì)較差。一些反應(yīng)性固體粉末往往會(huì)結(jié)塊，因此準(zhǔn)確分配這些粉末并精確稱出特定質(zhì)量的粉末仍然是一個(gè)問題?！?/p>

　　在IBM的RoboRXN化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，該團(tuán)隊(duì)目前使用的硬件無法執(zhí)行多步驟化學(xué)過程中經(jīng)常需要的那種純化。Laino 說道：“如果你想凈化某個(gè)化學(xué)試劑，就必須把它從循環(huán)中取出以完成凈化，然后重新啟動(dòng)自動(dòng)化過程，這對(duì)整個(gè)化學(xué)合成的性能有很大影響?！?/p>

　　如果這些挑戰(zhàn)以及許多其他挑戰(zhàn)在未來幾年可以得到解決，人工智能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室不僅可以提供高通量的化學(xué)和材料研究，還可以進(jìn)行更具創(chuàng)新性的研究。Cooper說道：“我有時(shí)太過于強(qiáng)調(diào)利用人工智能驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行研究的速度，這不是重點(diǎn)。我們的根本目標(biāo)始終是著眼于我們根本無法看到的事物。因?yàn)樽詣?dòng)化的增強(qiáng)率如此之大，所以我們應(yīng)該大膽進(jìn)行一些猜測(cè)。”

　　然而，基于遠(yuǎn)程訪問和擴(kuò)展的組合，Laino對(duì)RoboRXN的未來的想象與其他人不同?！跋胂笥幸粋€(gè)大倉庫，那里不是一個(gè)裝滿計(jì)算機(jī)的大數(shù)據(jù)中心，而是按照要求進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的機(jī)器人。突然，你看到了將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在化學(xué)等領(lǐng)域的潛力。這場(chǎng)革命肯定需要一些時(shí)間，但這將極大地改變我們看待和研究化學(xué)的方式?！?/p>