如何從不斷“試錯(cuò)”和手工“搖瓶子”中突圍？

當(dāng)下，合成化學(xué)領(lǐng)域正經(jīng)歷一場(chǎng)深刻的范式轉(zhuǎn)型，其研發(fā)核心動(dòng)力加速?gòu)膫鹘y(tǒng)的“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”和“智能驅(qū)動(dòng)”躍遷。引領(lǐng)這一變革的核心引擎，正是“機(jī)器人融合人工智能（AI）”，即智能自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與AI技術(shù)的深度耦合。

日前，由深圳晶泰科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)晶泰科技）主辦的“合成化學(xué)研究新范式—機(jī)器人融合AI研討會(huì)”在上海舉辦，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家探討了如何利用這兩股強(qiáng)大的技術(shù)浪潮，為合成化學(xué)學(xué)科注入新活力。

新范式注能研發(fā)效率 以自動(dòng)化程序替代傳統(tǒng)試錯(cuò)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，合成化學(xué)不斷“試錯(cuò)”和手工“搖瓶子”的傳統(tǒng)研發(fā)范式，已無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)新材料開(kāi)發(fā)的需求。因此，讓不知疲倦的自動(dòng)化設(shè)備根據(jù)設(shè)定好的程序代替人去做實(shí)驗(yàn)，讓重復(fù)性的化學(xué)實(shí)驗(yàn)變得精確、高效，正在成為科研人員的新追求。

有“AI+機(jī)器人”參與的合成化學(xué)新范式，能有多強(qiáng)？中國(guó)工程院院士、中國(guó)石化上海石油化工研究院院長(zhǎng)楊為民舉例說(shuō)，在石油化工領(lǐng)域一種新催化劑的開(kāi)發(fā)常常需“十年磨一劍”。而高通量技術(shù)平臺(tái)的引入改變了傳統(tǒng)研發(fā)范式，研究人員只需通過(guò)高通量計(jì)算系統(tǒng)性地設(shè)計(jì)上千種不同的催化劑配方，再讓自動(dòng)化平臺(tái)快速篩選，就能快速找到傳統(tǒng)方法需要花費(fèi)大量人力才能得到的規(guī)律，獲得性能更優(yōu)的材料。通過(guò)這樣的工作模式，他們成功開(kāi)發(fā)出一種納米片狀分子篩，解決了利用煉廠廢氣生產(chǎn)高價(jià)值化學(xué)品的難題，并已在全國(guó)多套工業(yè)裝置上應(yīng)用。

而深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，更讓合成化學(xué)研發(fā)效率上了一個(gè)新臺(tái)階——陶氏化學(xué)應(yīng)用微軟AzureAI等定制機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，將傳統(tǒng)聚氨酯材料研發(fā)4~6個(gè)月的工作量在30秒內(nèi)完成，效率提升20萬(wàn)倍。用機(jī)器人等自動(dòng)化技術(shù)來(lái)高效做實(shí)驗(yàn)，部分解放化學(xué)家的雙手，已成為很多人眼中合成化學(xué)的未來(lái)愿景。

新技術(shù)注能研發(fā)操作 打造智能自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

當(dāng)前，基于AI模型來(lái)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)，以機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)提升實(shí)驗(yàn)效能，已大大改變了合成化學(xué)研發(fā)的具體操作。

“我們?cè)瓉?lái)做化學(xué)實(shí)驗(yàn)，平均每個(gè)學(xué)生一天做一個(gè)。使用晶泰的智能合成工作站后，一次能做48個(gè)實(shí)驗(yàn)，效率提升很快。”中國(guó)科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)教授麻生明對(duì)其研究團(tuán)隊(duì)與晶泰科技合作開(kāi)發(fā)的末端炔烴烯丙基化（ATA）反應(yīng)研究的自動(dòng)化合成平臺(tái)贊賞有加。

據(jù)晶泰科技聯(lián)合創(chuàng)始人、首席執(zhí)行官馬健介紹，該平臺(tái)以領(lǐng)域?qū)Ｓ蠥I模型為核心，專(zhuān)職負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)、反應(yīng)預(yù)測(cè)等前期部署和過(guò)程推進(jìn)；以自動(dòng)化技術(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人工作站為“雙手”，實(shí)現(xiàn)高精度、高通量、更安全的化學(xué)操作。在此過(guò)程中，通過(guò)機(jī)器人收集的數(shù)據(jù)反哺AI模型，形成預(yù)測(cè)更準(zhǔn)、設(shè)計(jì)更優(yōu)的良性循環(huán)。目前，該平臺(tái)已積累超過(guò)兩百萬(wàn)條結(jié)構(gòu)化化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)能力涵蓋大多數(shù)常見(jiàn)合成反應(yīng)類(lèi)型與合成化學(xué)研究場(chǎng)景。

深度原理創(chuàng)始人、CTO段辰儒指出，生成式AI為探索龐大化學(xué)空間提供了新范式。其中，擴(kuò)散模型能高效生成化學(xué)反應(yīng)過(guò)渡態(tài)、發(fā)現(xiàn)新反應(yīng)，突破人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)邊界。他認(rèn)為，未來(lái)需結(jié)合可合成性探索、科學(xué)計(jì)算與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)AI更深層次助力新材料發(fā)現(xiàn)。

新思辨注能研發(fā)模式 培訓(xùn)合成化學(xué)AI研發(fā)助手

去年7月，全球首個(gè)AI化學(xué)機(jī)器人登上《自然》雜志封面。據(jù)介紹，它僅用8天就自主完成688個(gè)實(shí)驗(yàn)，并從中發(fā)現(xiàn)了比初始配方活性高6倍的光催化劑。AI是否已經(jīng)可以做到取代化學(xué)家來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？

與會(huì)專(zhuān)家表示：還不行。在化學(xué)領(lǐng)域，目前AI更多是高效的“幫手”，而非替代者。

清華大學(xué)教授羅三中指出，AI應(yīng)用于合成化學(xué)面臨數(shù)據(jù)缺乏、反應(yīng)復(fù)雜性高等挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)尚未形成自主合成化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。AI可輔助新反應(yīng)發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化，但需以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，結(jié)合有限自動(dòng)化與人類(lèi)認(rèn)知實(shí)現(xiàn)智能分子創(chuàng)制。

浙江大學(xué)化學(xué)系研究員洪鑫提供了一條應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的可行路徑。他所在的研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“層級(jí)學(xué)習(xí)”框架，讓AI能夠逐步逼近目標(biāo)的構(gòu)效空間。例如，在開(kāi)發(fā)一種新型的鎳催化劑時(shí)，他們首先利用了大量類(lèi)似機(jī)制的鈀催化劑文獻(xiàn)訓(xùn)練基礎(chǔ)模型。然后，再用少量鎳催化劑數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行微調(diào)和校正。通過(guò)這種方式，他們成功地預(yù)測(cè)并合成出一種高效、高選擇性的新催化劑配體，展示了AI在“小數(shù)據(jù)”場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)的潛力。

除了使用“知識(shí)遷移”的方式訓(xùn)練更準(zhǔn)確的知識(shí)模型，使用AI讓自動(dòng)化變得更加“聰明”也是未來(lái)提升合成化學(xué)效率的一條路徑。馬健表示，晶泰科技正在與業(yè)內(nèi)專(zhuān)家展開(kāi)深度合作，目標(biāo)是建設(shè)能夠分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并自主設(shè)計(jì)和優(yōu)化、啟動(dòng)下一次實(shí)驗(yàn)，形成“設(shè)計(jì)—執(zhí)行—學(xué)習(xí)”快速迭代閉環(huán)的“自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室”。

“化學(xué)發(fā)現(xiàn)很多時(shí)候是基于偶然‘靈光一現(xiàn)’，而通過(guò)已有知識(shí)訓(xùn)練出來(lái)的機(jī)器的解讀常常泯滅這種偶然性的發(fā)現(xiàn)。因此，最終的科學(xué)洞察仍需人腦來(lái)完成。但我非常期待‘AI+機(jī)器人’能給合成化學(xué)帶來(lái)新的發(fā)展可能?！甭樯髡f(shuō)。