最近，在光化學(xué)和光催化方面的研究出現(xiàn)了驚人的爆發(fā)，部分原因在于光作為反應(yīng)源對環(huán)境無害。然而，許多研究展示的是小規(guī)模反應(yīng)，而擴(kuò)大規(guī)模依賴于不同技術(shù)的拼湊，可能需要大量的試驗(yàn)和錯(cuò)誤來優(yōu)化。

針對復(fù)雜光催化反應(yīng)條件高效優(yōu)化的需求，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué) (UvA) 范特霍夫（Van ‘t Hoff）分子科學(xué)研究所的 Timothy No?l 教授團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種集成人工智能驅(qū)動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)單元的自主化學(xué)合成機(jī)器人。

這款臺(tái)式設(shè)備被稱為「RoboChem」，在速度和準(zhǔn)確性方面都超過了人類化學(xué)家，同時(shí)還表現(xiàn)出高水平的獨(dú)創(chuàng)性。

研究表明，RoboChem 是一位精確而可靠的化學(xué)家，可以進(jìn)行各種反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生最少的廢物。RoboChem 可以顯著加速藥物和許多其他應(yīng)用的化學(xué)分子的發(fā)現(xiàn)。

該系統(tǒng)全天候自主工作，快速、不知疲倦地提供結(jié)果。No?l 說：「一周內(nèi)，我們可以優(yōu)化大約十到二十個(gè)分子的合成。這需要博士生幾個(gè)月的時(shí)間。該機(jī)器人不僅提供最佳的反應(yīng)條件，還提供放大的設(shè)置。這意味著我們可以生產(chǎn)與制藥行業(yè)供應(yīng)商直接相關(guān)的數(shù)量?！?/span>

相關(guān)研究以《Automated self-optimization, intensification, and scale-up of photocatalysis in flow》為題，于 2024 年 1 月 26 日發(fā)布在《Science》上。

RoboChem 的「大腦」

No?l 團(tuán)隊(duì)的專業(yè)知識(shí)是「流動(dòng)化學(xué)」（flow chemistry），是一種在連續(xù)流動(dòng)的流體中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)。小而靈活的管道系統(tǒng)代替燒杯、燒瓶和其他傳統(tǒng)的化學(xué)工具。

在 RoboChem 中，機(jī)器人針頭小心地收集起始材料，并將它們混合在半毫升以上的小體積中。然后它們通過管道系統(tǒng)流向反應(yīng)器。在那里，來自強(qiáng)大 LED 的光通過激活反應(yīng)混合物中的光催化劑來觸發(fā)分子轉(zhuǎn)化。

然后流程繼續(xù)流向自動(dòng)核磁共振波譜儀，以識(shí)別轉(zhuǎn)化的分子。這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到控制 RoboChem 的計(jì)算機(jī)。

「這是 RoboChem 背后的大腦，」No?l 說?！杆褂萌斯ぶ悄芴幚硇畔?。我們使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來自主確定要執(zhí)行哪些反應(yīng)。它始終以最佳結(jié)果為目標(biāo)，并不斷完善對化學(xué)的理解?！?/span>

令人印象深刻的獨(dú)創(chuàng)性

該小組投入了大量精力來證實(shí) RoboChem 的成果。論文中包含的所有分子均經(jīng)過手動(dòng)分離和檢查。No?l 表示，該系統(tǒng)的獨(dú)創(chuàng)性給他留下了深刻的印象。

「我從事光催化研究已有十多年了。盡管如此，RoboChem 仍顯示出我無法預(yù)測的結(jié)果。例如，它發(fā)現(xiàn)了只需要很少光的反應(yīng)。有時(shí)我不得不抓耳撓腮，想弄明白它到底干了些什么。然后你會(huì)想：我們也會(huì)這么做嗎？回顧一下，你會(huì)看到 RoboChem 的邏輯。但我懷疑我們自己是否會(huì)獲得相同的結(jié)果?；蛘咧辽俨粫?huì)那么快 」。

研究人員還使用 RoboChem 復(fù)制了之前隨機(jī)選擇的四篇論文中發(fā)表的研究。然后他們確定 Robochem 是否產(chǎn)生相同或更好的結(jié)果。

「在大約 80% 的情況下，該系統(tǒng)產(chǎn)生了更好的產(chǎn)量。對于另外 20% 的情況，結(jié)果相似，」No?l 說?！高@讓我毫不懷疑，人工智能輔助方法將在最廣泛的意義上有利于化學(xué)發(fā)現(xiàn)?！?/span>

人工智能在化學(xué)領(lǐng)域取得突破

No?l 表示，RoboChem 和其他「計(jì)算機(jī)化」化學(xué)的相關(guān)性還在于生成高質(zhì)量數(shù)據(jù)，這將有利于人工智能的未來使用。

「在傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)現(xiàn)中，僅對少數(shù)分子進(jìn)行徹底研究。然后將結(jié)果外推到看似相似的分子。RoboChem 生成了一個(gè)完整而全面的數(shù)據(jù)集，其中獲得每個(gè)分子的所有相關(guān)參數(shù)。這提供了更多的見解?！?/span>

另一個(gè)特點(diǎn)是系統(tǒng)還記錄「負(fù)面」數(shù)據(jù)。在當(dāng)前的科學(xué)實(shí)踐中，大多數(shù)發(fā)表的數(shù)據(jù)僅反映成功的實(shí)驗(yàn)?！甘〉膶?shí)驗(yàn)也提供了相關(guān)數(shù)據(jù)，」No?l 說。

「但這只能在研究人員手寫的實(shí)驗(yàn)室筆記中找到。這些筆記尚未發(fā)表，因此無法用于人工智能驅(qū)動(dòng)的化學(xué)。RoboChem 也將改變這一點(diǎn)。我毫不懷疑，如果你想用人工智能在化學(xué)領(lǐng)域取得突破 ，你將需要這些類型的機(jī)器人。」

參考內(nèi)容：https://phys.org/news/2024-01-autonomous-synthesis-robot-ai-chemical.html?