“人工智能+大數(shù)據(jù)”讓化學(xué)研究煥然一新

時(shí)間:2023-05-04

來源:科技日報(bào)

導(dǎo)語:機(jī)器人在操作臺(tái)之間來回穿梭,伸出機(jī)械臂,“手握”試管,稱量取樣,配制試劑……走進(jìn)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡稱中科大)機(jī)器化學(xué)家實(shí)驗(yàn)室,一種全新的化學(xué)研究場景讓人眼前一亮。這里看不到身穿白大褂的實(shí)驗(yàn)操作人員,瓶瓶罐罐的實(shí)驗(yàn)工作都由一臺(tái)機(jī)器人完成。

  這臺(tái)機(jī)器人由中科大化學(xué)物理系教授江俊團(tuán)隊(duì)研發(fā)。它不僅能根據(jù)指令操作實(shí)驗(yàn),還能夠利用機(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)假說并制訂實(shí)驗(yàn)方案。

  此外,它產(chǎn)生的高質(zhì)量機(jī)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還能夠與理論預(yù)訓(xùn)練模型融合,產(chǎn)生理實(shí)交融的智能模型來尋找全局最優(yōu)解。

  “我們的機(jī)器化學(xué)家擁有‘超強(qiáng)化學(xué)大腦’,它能夠從數(shù)以億計(jì)的可能組合中找到最優(yōu)解,將科學(xué)家一生都不能做完的工作,縮短到幾周內(nèi)完成。”在近日舉行的中科院記者行活動(dòng)上,江俊告訴記者。

  用好人工智能和大數(shù)據(jù)的“東風(fēng)”

  當(dāng)前,數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能正在改變整個(gè)科學(xué)研究??茖W(xué)家希望,利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)解放自己的雙手,提升科研的效率和準(zhǔn)確性,進(jìn)而催生更多創(chuàng)新成果。在化學(xué)領(lǐng)域,科研人員尤其希望得到大數(shù)據(jù)和人工智能的助力,加快材料研發(fā)。

  說起個(gè)中原因,中科大教授李震宇告訴記者:“過去的150年里,化學(xué)研究主要靠猜測、嘗試、糾錯(cuò),再猜測、再嘗試……在這種研究范式下,科研人員像集郵一樣逐步積累素材,在不斷試錯(cuò)的過程中取得發(fā)現(xiàn),研究效率低、成本高?!?/p>

  同時(shí),隨著化學(xué)研究對象日益復(fù)雜化、高維化,面對龐大的化學(xué)空間,配方和工藝的搜索常常止步于局部最優(yōu),無法進(jìn)行全局探索。

  因此,改變化學(xué)研究范式,實(shí)現(xiàn)化學(xué)研究精準(zhǔn)化、智能化,一直是化學(xué)家的夢想。

  逐漸興起并快速迭代進(jìn)化的大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù),讓科研人員看到了解決這些難題的新機(jī)遇?!拔覀兿M璐藮|風(fēng),建立新的化學(xué)研究范式,在精準(zhǔn)化和智能化雙輪驅(qū)動(dòng)下,賦予人工智能機(jī)器化學(xué)家化學(xué)智慧?!崩钫鹩钫f。

  于是,2014年,江俊團(tuán)隊(duì)提出“機(jī)器化學(xué)家”概念并開展相關(guān)科研工作。

  “我們組建了一支涵蓋化學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、自動(dòng)化等的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì),經(jīng)過8年攻關(guān),成功研制出數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)的‘全流程機(jī)器化學(xué)家’?!苯〗榻B,該機(jī)器化學(xué)家集成了移動(dòng)機(jī)器人、化學(xué)工作站、智能操作系統(tǒng)、科學(xué)數(shù)據(jù)庫等多項(xiàng)技術(shù)。

  缺乏高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)是個(gè)大難題

  如今,擁有“超強(qiáng)化學(xué)大腦”的機(jī)器化學(xué)家正在展現(xiàn)它的價(jià)值。

  專注于光學(xué)薄膜材料研究的中科大教授鄒綱,一直想提高手性相關(guān)光學(xué)薄膜的性能,然而,材料配比的可能性有上百萬種,依賴人工一一驗(yàn)證根本不現(xiàn)實(shí)。團(tuán)隊(duì)努力了10年,將不對稱因子提高到了1.2,但離理論極限2.0還有非常大的差距。

  借助機(jī)器化學(xué)家,科研人員僅用一個(gè)多月時(shí)間,就找到了不對稱因子高達(dá)1.95的工藝條件,高度逼近理論極限,為開發(fā)優(yōu)質(zhì)薄膜材料開辟了新方法。

  對江俊來說,機(jī)器化學(xué)家只是開始?!拔覀兊哪繕?biāo)是建成機(jī)器化學(xué)家大科學(xué)裝置,在一整棟大樓里,布置上百個(gè)機(jī)器人、上千個(gè)智能化學(xué)工作站,真正解放化學(xué)家的雙手,加快新化學(xué)品和新材料的研發(fā)創(chuàng)制?!苯≌f。

  今年1月,中國科學(xué)院精準(zhǔn)智能化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式獲批建設(shè),李震宇擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任?!拔覀兿M褜?shí)驗(yàn)室建設(shè)成為精準(zhǔn)智能化學(xué)領(lǐng)域國際頂尖的研究機(jī)構(gòu),形成一個(gè)新的精準(zhǔn)智能化學(xué)范式,建立我們國家主導(dǎo)的精準(zhǔn)化學(xué)數(shù)據(jù)體系和智能化學(xué)軟硬件標(biāo)準(zhǔn)?!崩钫鹩钫f。

  在李震宇看來,建立精準(zhǔn)智能化學(xué)研究新范式最大的困難是缺乏高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)?!耙延械臄?shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊。這些數(shù)據(jù)混在一起,讓人工智能去學(xué)習(xí),很可能會(huì)學(xué)到一些錯(cuò)誤的知識(shí)。所以,我們希望形成一套數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),在這個(gè)基礎(chǔ)上去做數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能化學(xué)?!崩钫鹩钫f。

  或許有人會(huì)擔(dān)心,具備“最強(qiáng)科學(xué)大腦”的機(jī)器化學(xué)家的出現(xiàn),會(huì)不會(huì)讓化學(xué)家失業(yè)?對此,江俊表示:“一個(gè)好的技術(shù)工具,會(huì)賦予更多的可能性,讓科研人員做更多的事情,發(fā)現(xiàn)更多的前沿理論。”

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