過往傳統(tǒng)化學(xué)合成需要較長的時(shí)間，且科研人員做化學(xué)實(shí)驗(yàn)重復(fù)操作較多，RoboChem能全天候自主工作，快速、不知疲倦地提供結(jié)果，顯著提高了實(shí)驗(yàn)效率，將研究人員從重復(fù)繁瑣的實(shí)驗(yàn)中解放出來。
目前RoboChem仍然在實(shí)驗(yàn)室里使用，不會(huì)有更進(jìn)一步的商業(yè)計(jì)劃。
裝有AI大腦的RoboChem能在一周完成博士數(shù)月研究。近日，來自荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款自動(dòng)化學(xué)合成 AI 機(jī)器人 RoboChem。這款機(jī)器人通過集成現(xiàn)有的商業(yè)化硬件、自定義軟件和閉環(huán)的貝葉斯優(yōu)化（BO）算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光催化反應(yīng)的全自動(dòng)化運(yùn)行，并且在速度和準(zhǔn)確性上都超過人類化學(xué)家。
“RoboChem簡化了光催化反應(yīng)的優(yōu)化過程，同時(shí)提高了安全性，讓研究人員從繁瑣的實(shí)驗(yàn)工作解放出來，將更多時(shí)間投入到更具創(chuàng)造性的化學(xué)領(lǐng)域中。”在談及RoboChem的核心優(yōu)勢(shì)時(shí)，來自荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的研究員溫正慧告訴澎湃科技（www.thepaper.cn)。
目前，該研究以《流動(dòng)光催化的自動(dòng)自優(yōu)化、過程強(qiáng)化和放大》（Automated self-optimization, intensification, and scale-up of photocatalysis in flow）為題于 2024 年 1 月 26 日發(fā)布在《科學(xué)》雜志（Science）上。
論文發(fā)表在《科學(xué)》雜志（Science）
來自阿姆斯特丹大學(xué)艾丹斯萊特里（Aidan Slattery）、溫正慧和寶琳坦布拉德（Pauline Tenblad）是論文共同第一作者，蒂莫西諾埃爾（Timothy Nol）教授擔(dān)任通訊作者。
裝有AI大腦的RoboChem
2018年9月，溫正慧正式加入蒂莫西諾埃爾教授團(tuán)隊(duì)開展博士研究工作。博士期間溫正慧的研究方向包括光催化有機(jī)合成、微反應(yīng)器/流動(dòng)化學(xué)、自動(dòng)化合成與人工智能等。當(dāng)時(shí)人在國外的溫正慧已經(jīng)感受到周邊很多課題組或企業(yè)正在討論自動(dòng)化合成實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。 “在做化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，很多操作是重復(fù)的，我們真的很想有一個(gè)自動(dòng)化的裝置能夠讓研究人員從繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作中解放出來。”溫正慧說。
論文作者之一溫正慧。
過往，傳統(tǒng)化學(xué)合成通常需要較長的時(shí)間，具體時(shí)間主要取決于合成目標(biāo)的復(fù)雜性、反應(yīng)步驟的多少以及反應(yīng)條件的選擇。在傳統(tǒng)的化學(xué)有機(jī)合成中，化學(xué)家需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)設(shè)計(jì)各類實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行一系列試驗(yàn)找到最優(yōu)條件。在這個(gè)過程中需要反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化，此外，在傳統(tǒng)合成過程中也存在人為失誤的實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。
為了滿足高效優(yōu)化復(fù)雜光催化反應(yīng)條件的需求，溫正慧和小組成員開發(fā)了這款名為RoboChem的多功能機(jī)器人平臺(tái)。
AI化學(xué)機(jī)器人RoboChem
RoboChem是“Robot Chemist”的簡寫，采用了開源組件和簡單物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)裝有AI大腦，可以很好地解決化學(xué)合成中的優(yōu)化問題。該算法能夠基于歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建概率模型，預(yù)測哪些實(shí)驗(yàn)條件可能產(chǎn)生最佳結(jié)果。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，RoboChem可以不斷積累數(shù)據(jù)，采用的貝葉斯優(yōu)化算法也會(huì)不斷更新和改進(jìn)，以適應(yīng)新的實(shí)驗(yàn)條件和目標(biāo)，這種持續(xù)學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力使得RoboChem變得更加高效。
此外，RoboChem 采用了流動(dòng)化學(xué)系統(tǒng)，能夠精確控制化學(xué)反應(yīng)參數(shù)，如溫度、壓力、流速和光照強(qiáng)度，降低了實(shí)驗(yàn)過程中的廢棄物生成，還提高了實(shí)驗(yàn)的可控性，能更加精準(zhǔn)地控制反應(yīng)條件，提高產(chǎn)物純度。
目前應(yīng)用集中在實(shí)驗(yàn)室，不會(huì)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用
對(duì)于化學(xué)家們來說，研發(fā)一款A(yù)I機(jī)器人有哪些挑戰(zhàn)？
溫正慧回憶，從2018年跟隨蒂莫西諾埃爾教授開展機(jī)器人研發(fā)工作到2022年博士畢業(yè)留組擔(dān)任研究員，RoboChem研發(fā)小組從最開始的一個(gè)人到現(xiàn)在的五名博士生。剛開始研發(fā)時(shí)，資源有限、面臨的風(fēng)險(xiǎn)也大。在沒有任何產(chǎn)出的前提下消耗實(shí)驗(yàn)資金和人力資本，對(duì)于研發(fā)團(tuán)隊(duì)有很大的挑戰(zhàn)。
實(shí)驗(yàn)前期，光軟件編碼和硬件安裝上的工作，就花費(fèi)了兩到三年時(shí)間。“挑戰(zhàn)最大的在于硬件部分，我自身也不是機(jī)械或者自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)，前期實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)花了很多時(shí)間去調(diào)試做控制。”溫正慧稱，團(tuán)隊(duì)為了能研究機(jī)器人硬件問題，每兩周就會(huì)組織一次的“機(jī)器人和化學(xué)”會(huì)議。
工作中的RoboChem
通過6次隨機(jī)性實(shí)驗(yàn)和13次探索實(shí)驗(yàn)，2022年7月21日，團(tuán)隊(duì)研發(fā)終于取得階段性勝利，RoboChem可以閉環(huán)地完成工作，并且達(dá)到了前所未有的優(yōu)化水平。
溫正慧表示，RoboChem有三大突破性優(yōu)點(diǎn)：一是整體優(yōu)化效率高，能夠提高實(shí)驗(yàn)效率�？蒲腥藛T在研究中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)重復(fù)操作，比如在參數(shù)調(diào)整、反應(yīng)物配比、溫度和光照強(qiáng)度控制的實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化等，利用RoboChem能夠讓研究人員把注意力更多地轉(zhuǎn)向化學(xué)領(lǐng)域的其他創(chuàng)造性工作。
二是RoboChem 平臺(tái)能根據(jù)每種底物的特定需求量身定制反應(yīng)條件，從而做到從傳統(tǒng)合成方法中脫穎而出。而且能全面評(píng)估轉(zhuǎn)化方法，在很大程度上提高了其潛在的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，也提高了整個(gè)反應(yīng)的安全性。
三是基于RoboChem 平臺(tái)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集不僅包括正向數(shù)據(jù)，還包括反向數(shù)據(jù)，有利于其他研究人員更好地開展有關(guān) AI for Science 的研究，從而深化對(duì)反應(yīng)機(jī)理的了解。
“這套系統(tǒng)能全天候自主工作，快速、不知疲倦地提供結(jié)果。”溫正慧說，正是這些優(yōu)勢(shì)讓RoboChem 成為有價(jià)值的機(jī)器人協(xié)作平臺(tái)，適用于任何合成有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。
值得一提的是，研發(fā)成功的RoboChem能夠執(zhí)行各種反應(yīng)，而且實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的廢物最少。它可以在一周內(nèi)優(yōu)化大約10到20個(gè)分子的合成，而一個(gè)博士生通常需要幾個(gè)月的時(shí)間才能完成這項(xiàng)任務(wù)。
不過，溫正慧坦言，RoboChem目前是面向藥物分子的優(yōu)化合成，后續(xù)還有待迭代升級(jí)為藥物分子的合成新路徑規(guī)劃等更高階的研究方向，另外應(yīng)用場景上還是以實(shí)驗(yàn)室研發(fā)為主，不會(huì)商用，規(guī)�；铣裳芯咳杂写M(jìn)一步探索。
溫正慧稱，預(yù)計(jì)未來RoboChem將與不同類型的流動(dòng)反應(yīng)器和過程分析技術(shù)相結(jié)合，在高度可重復(fù)的反應(yīng)器環(huán)境中自動(dòng)生成豐富數(shù)據(jù)集，為未來合成化學(xué)數(shù)字化做出貢獻(xiàn)。
