靈活穿梭在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，可能不是人類，而是AI機(jī)器人。

2019年，利物浦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)自研了一款A(yù)I機(jī)器人化學(xué)家。這款機(jī)器的外觀由一個(gè)固定基座和一個(gè)靈活機(jī)器臂構(gòu)成，它可以使用精密的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，獨(dú)立開展研究。

據(jù)了解，AI機(jī)器人化學(xué)家在科研方面發(fā)揮了重要作用，它可以完成數(shù)千種催化劑的篩查工作，并從中發(fā)現(xiàn)能夠提取氫元素的催化劑材料，更重要的是，它的效率非常驚人，可以在一周之內(nèi)研究1000種催化劑配方，而這相當(dāng)于一個(gè)博士生4年的工作量。當(dāng)時(shí)這項(xiàng)新發(fā)明還登上了《Nature》封面。

昨天，我們?cè)谧钚乱黄凇禢ature》封面上再次發(fā)現(xiàn)了這位機(jī)器人化學(xué)家。不過，這一次是全新升級(jí)版，它不僅可以像人類一樣自由穿梭在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備之間，而且還可以一周工作7天，一天工作21.5小時(shí)，高強(qiáng)度不會(huì)累。僅剩下2.5小時(shí)還是用來充電，工作時(shí)長遠(yuǎn)超人類。

最重要的是，它比人類還聰明自己發(fā)現(xiàn)了一種新型催化劑材料。

聰明又能干的機(jī)器人化學(xué)家

利物浦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過一年的研究改造，現(xiàn)在這位AI機(jī)器人化學(xué)家已具備人形特征，身高1.75，體重400公斤。雖然體重比較重，但是動(dòng)作上一點(diǎn)也不顯笨重。此前，AI化學(xué)化學(xué)家只能固定在基座上，通過靈活的手臂做試驗(yàn)，而現(xiàn)在它可以在實(shí)驗(yàn)室中有意識(shí)的靈活移動(dòng)。

AI機(jī)器人區(qū)別于人類的一大特色是，它的工作效率非常高，而且晝夜不停。在最近的一項(xiàng)研究中，這位化學(xué)家在8天內(nèi)工作了172小時(shí)，移動(dòng)了319次，完成了6,500次操縱，相當(dāng)于行走了2.17公里，而正常人類最長工作88小時(shí)，而且是超負(fù)荷工作狀態(tài)下。

不分晝夜，活脫脫的實(shí)驗(yàn)民工

另外，AI機(jī)器人化學(xué)家能夠使用實(shí)驗(yàn)室中的所有設(shè)備，不需要人為指導(dǎo)。該團(tuán)隊(duì)的本杰明·伯格（Benjamin Burger）博士介紹，它的思維可以達(dá)到10個(gè)維度，實(shí)驗(yàn)室中所有的基礎(chǔ)任務(wù)它都可以獨(dú)立執(zhí)行，比如稱量固體，分配液體，從容器中除去空氣，運(yùn)行催化反應(yīng)以及定量反應(yīng)產(chǎn)物等。

而這并不能夠成為一名這正意義上的化學(xué)家。之所稱AI機(jī)器人為化學(xué)家是因?yàn)樗呀?jīng)不僅局限在機(jī)械的體力勞動(dòng)，而是邁向了自主研究的階段。就在最近的試驗(yàn)中，它首次發(fā)現(xiàn)了一種高活性的催化劑。

對(duì)此，實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人安德魯·庫珀（Andy Cooper）教授介紹說，“它不止是實(shí)驗(yàn)室中的一臺(tái)機(jī)器，而是我們超強(qiáng)團(tuán)隊(duì)中的成員。

對(duì)于當(dāng)前的AI機(jī)器人化學(xué)家，最大的挑戰(zhàn)是使系統(tǒng)堅(jiān)固耐用。本杰明·伯格博士介紹說：“如果要在長期的自主工作中，平穩(wěn)地進(jìn)行數(shù)千次的精細(xì)操作，每項(xiàng)任務(wù)的出錯(cuò)率需要極低。但是一旦這樣的目標(biāo)達(dá)成，與人類操作員相比，機(jī)器人犯的錯(cuò)誤要少得多”。

自主發(fā)現(xiàn)高活性催化劑

AI機(jī)器人化學(xué)家是Andy Cooper實(shí)驗(yàn)室與Leverhulme功能材料設(shè)計(jì)研究中心聯(lián)合開發(fā)的新項(xiàng)目，該中心一直希望通過現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的力量改變新材料的發(fā)現(xiàn)。

而這一點(diǎn)與庫珀教授不謀而合。我們知道，在生物、化學(xué)領(lǐng)域存在著數(shù)以億計(jì)的化合物分子，規(guī)模性和復(fù)雜性一直是實(shí)驗(yàn)室難以攻克的問題。

庫珀教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，機(jī)器人可以在這方面發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它能夠通過AI技術(shù)在廣闊的、未經(jīng)開發(fā)的化學(xué)空間進(jìn)行高效探索，挖掘潛在的新型材料。由于樣品類型、儀器儀表和測(cè)量多樣性的要求，庫珀教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)AI機(jī)器人化學(xué)家主要用來搜索、篩查和發(fā)現(xiàn)能夠從水中提取氫氣的光催化劑。

最近，經(jīng)過688次試驗(yàn)后，AI化學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了比原始配方活性高6倍的光催化劑混合物。

那么它是如何發(fā)現(xiàn)的呢？在本次試驗(yàn)中，AI機(jī)器人化學(xué)家的首要目的是不斷提高光催化劑P10 /L-cysteine（半胱氨酸）系統(tǒng)的HER（自動(dòng)析出氫析出率）。在此，研究人員使用了五種假設(shè)對(duì)其進(jìn)行了訓(xùn)練。

在分解催化劑之前，它的基本工作流程是：將空的樣品瓶裝入固體分配站，然后在氣相色譜儀臺(tái)上裝載新樣品進(jìn)行分析。最后根據(jù)得出的分析結(jié)果，將完成的樣品存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的輸入站中。

這里要說明的是，AI機(jī)器人的工作環(huán)境和設(shè)備與人類的并無不同，包括GC，氣相色譜儀、輸入站等，AI機(jī)器人化學(xué)家能夠通過激光掃描和觸摸反饋系統(tǒng)對(duì)位置、儀器和藥物進(jìn)行甄別和反饋。

研究人員介紹，該試驗(yàn)的關(guān)鍵在于AI化學(xué)家的大腦內(nèi)置了貝葉斯搜索算法，它可以根據(jù)前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果確定下一步最佳試驗(yàn)方式，在經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化訓(xùn)練之后，最終發(fā)現(xiàn)了這款高活性的新型光催化劑材料。

據(jù)了解，實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度與變量數(shù)量成指數(shù)關(guān)系，我們?nèi)祟愅驗(yàn)樘幚碜兞繑?shù)量較少，而局限在狹窄的搜索范圍內(nèi)，而此次AI機(jī)器人化學(xué)家的探索空間包含了十一個(gè)變量。這相當(dāng)于機(jī)器人大腦在10800萬個(gè)候選實(shí)驗(yàn)的10維空間內(nèi)進(jìn)行搜索。

不過，需要強(qiáng)調(diào)的是，AI機(jī)器人出色的性能表現(xiàn)，其意圖并非超越人類，而是輔助人類更好的完成研發(fā)工作。庫珀教授表示，“我們研發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)是使研究人員自動(dòng)化，而不是使儀器自動(dòng)化。AI機(jī)器人的靈活性和創(chuàng)造性，有助于解決問題和改變工作方式，為人類研究人員騰出更多時(shí)間進(jìn)行創(chuàng)造性思考。”

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《Nature》地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2442-2#citeas

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