Nature封面：每天工作21.5小时的AI化学家，8天内完成688个实验，已自主发现一种全新催化剂

2020

07/15

学术头条

A-

A+

日本现代机器人之父大阪大学教授石黑浩曾经表示，“人类的进化有两种方式，一种是基因进化，还有一种是技术进化。而在他看来，技术层面的进化比基因层面的进化要快很多。”

而他说提到的技术层面，就是指未来机器人会代替人类的躯干，帮助人类进行行动。
虽然我们曾在电影中或睡梦里无数次看到过这种场景，但是，当人工智能机器人真的发展到这个地步，我们不免感叹，未来自己还能做什么？
近日，来自利物浦大学的研究人员，成功的开发了一款人工智能机器人化学家。
这款机器人化学家具有人形特征，可以在标准实验室中自己工作，像人类一样使用各种实验仪器。然而，与人类不同的是，这种机器人具有无限的耐心，可以同时考虑数十个维度的变量，每天工作 21.5 个小时，剩下的时间用于暂停充电。
更重要地是，这种机器人可以独立思考，自主完成一系列的实验操作。在第一次测试中，这个 1.75 米高的 AI 机器人在 8 天时间里独立完成了 668 个实验，并研发出了一种全新的化学催化剂。这一重磅成果，以封面文章的形式发表在最新一期的 Nature 杂志上。

最新一期 Nature 封面

对此，本次研究的领导者、利物浦大学化学和材料系教授 Andrew Cooper 教授表示，“我们的想法是让科研流程化，而不是让机器流程化。人工智能实验机器人的出现，可以让我们的工作更灵活。它改变了我们工作的方式，它不仅是实验室的一台机器，也是一个具有超能力的实验伙伴，它为人类腾出时间来进行创造性的思考。”

永远不会累的 AI 化学家

根据研究人员介绍，这款机器人化学家，可以独立执行化学实验中的所有任务，例如称量固体、分配液体、从容器中除去空气，运行催化反应以及定量反应产物等，甚至它还可以对下一步需要进行什么化学实验作出自己的决定。所有的这些实验都是在实验室中，由机器人本身来操作实验工具来完成。
而且，这种机器人具有类似于人类的尺寸和可触及范围，因此可以使用专为人类操作而设计的实验设备。它结合了激光扫描和触摸反馈来进行定位，可以在实验室自由走动，执行各种任务。某种意义上来说，它就像人类研究员一样，可以使用各种各样的仪器。
这种机器人功能如此强大，离不开研究人员为其设计的强大的人工智能算法。这种机器人的大脑，根据前一个实验的结果，对 10 个维度的变量进行分析，可以在实验室中从 1 亿多个候选化学实验中，确定下一步要进行的最佳实验。

不知疲倦地做实验

不分昼夜地做实验

因此，在第一次测试中，这种机器人便在没有任何研究人员的指导下，8 天内进行了 688 次实验，工作了 192 个小时，进行了 319 次移动，完成了 6500 次仪器操作，并自主发现了一种活性非常高的催化剂。

啥都会使，啥都会做，关键是还有脑子

对此，本次研究中参与机器人算法研究的 Benjamin Burger 博士表示，“在研发机器人的时候，最大的挑战就是如何让这个机器人的大脑耐用。因为机器人需要在多日内自主进行工作，并进行数千次精细操作，因此每项任务中，机器人的失败率必须极低。但一旦机器人完成了这些实验，与人类相比，它所犯的错误是一定会少很多。”
同时，研究人员还表示，这种机器人可以解决目前我们无法掌握的大规模和复杂性实验问题。例如，自主机器人可以通过自动搜索广阔的、未开发的化学空间来寻找清洁能源材料或新药配方。

重塑化学研发的未来

事实上，这并不是人类创造出来的第一个人工智能化学机器人。
例如 2018 年，来自格拉斯哥大学的研究人员就训练出了一个由人工智能驱动的化学合成机器人，从而使探索大量化学反应的过程实现自动化。该研究同样发表在 Nature 杂志上。研究人员当时表示，这项新技术能够变革分子的发现方式。
只不过与这次 Nature 封面的自主机器人化学家不同，当时的这套机器人系统在一定程度上只能算是一个人工智能反应器。
格拉斯哥大学的研究团队使用这个机器人系统，对 18 种不同的起始化学物质组合而成的约 1000 个反应进行了搜索，从而展示了该系统的潜力。

令人惊讶的结果是，仅在探索了大约 100 种可能的化学反应之后，机器人系统就能以超过 80% 的准确度来预测应该搜索哪些起始化学物质的组合，从而产生新的反应和分子。

而就在上个月，来自北卡罗莱纳州立大学和布法罗大学的研究人员也开发了一项“人工化学家”的技术，该技术结合了人工智能（AI）和执行化学反应的自动化系统，能够加速研发和生产商业所需的新化学材料。

值得一提的是，这位人工化学家不仅有一个执行实验并感知实验结果的“本体”，还有一个记录数据并利用它来决定下一个实验是什么的“大脑”。
为了进行概念验证测试，人工化学家’的身体整合了实验室开发的自动化纳米晶体工厂和纳米流体合成平台。人工化学家的大脑是一个 AI 程序，它通过识别和探索本体正在合成的材料形成独特的数据，并利用这些数据对下一组的实验条件做出自主决定。

不得不说，以往的人工智能大部分生活在硬盘和内存里，人工化学家则突破了“次元壁”，能直接将自己的“想法”在现实世界中通过物理手段来验证。

正如北卡罗莱纳州立大学化学和生物分子工程学的助理教授 Abolhasani 所说，“人工化学家就像一个真正的自主导航系统，在纷繁复杂的化学宇宙里穿梭。”
“我相信由人工化学家实现的自主材料研发可以重塑材料开发和制造的未来。”Abolhasani 说。

资料来源：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2442-2
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/uol-lrb070620.php
https://news.ncsu.edu/2020/06/artificial-chemist/
Robert W. Epps, Michael S. Bowen, Amanda A. Volk, Kameel Abdel‐Latif, Suyong Han, Kristofer G. Reyes, Aram Amassian, Milad Abolhasani. Artificial Chemist: An Autonomous Quantum Dot Synthesis Bot. Advanced Materials, 2020; 2001626 DOI: 10.1002/adma.202001626