智能機(jī)器化學(xué)家“小來”。

作者：江俊

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們利用火星隕石成功創(chuàng)制出實(shí)用的產(chǎn)氧電催化劑。這個成果最特殊的地方在于，所有實(shí)驗(yàn)都是由機(jī)器來執(zhí)行的——科學(xué)家們建立了龐大的數(shù)據(jù)庫，開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)機(jī)器指令集源代碼，打造出世界上最先進(jìn)的智能機(jī)器化學(xué)家，通過人工智能驅(qū)動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，解決了復(fù)雜優(yōu)化難題，在兩個月內(nèi)就取得了實(shí)驗(yàn)成功，獲得了預(yù)期效果——

1.建立化學(xué)研究智能新范式

數(shù)千年來，人類在化學(xué)領(lǐng)域不斷解鎖物質(zhì)世界的奧秘。從對微觀世界原子和分子的深入研究，再到對電子和原子核的探索，我們制造出許多令人驚嘆的物品和材料。這些不懈努力使人類擁有了藥物、塑料、電池、化肥等各類化學(xué)品。

化學(xué)學(xué)科發(fā)展經(jīng)歷漫長歷程，古代從實(shí)踐中獲得基礎(chǔ)知識，煉金術(shù)時(shí)代追求黃金合成，17-18世紀(jì)化學(xué)革命催生氧氣、元素概念，19世紀(jì)有機(jī)化學(xué)崛起，休克爾提出結(jié)構(gòu)理論，20世紀(jì)涌現(xiàn)量子化學(xué)、生物化學(xué)。當(dāng)代，化學(xué)涉足納米、環(huán)境、材料等多個領(lǐng)域，成為解決全球性問題的關(guān)鍵科學(xué)。

但化學(xué)又是個需要一點(diǎn)運(yùn)氣的學(xué)科——能產(chǎn)生反應(yīng)的物質(zhì)有很多，不同的量會帶來不同的結(jié)果，更關(guān)鍵的是，反應(yīng)釜完全是個“黑箱”，里面會發(fā)生什么，過程如何，在很多情況下是無法計(jì)算和計(jì)量的。因此，化學(xué)領(lǐng)域總有很多“無心插柳”的成果，也有很多“白發(fā)嘆息”的無奈，要想得到想要的結(jié)果，可能需要很長時(shí)間。

21世紀(jì)飛速發(fā)展的人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，有望為化學(xué)這一古老學(xué)科賦予更多的可能性，為化學(xué)研究領(lǐng)域帶來前所未有的革新與挑戰(zhàn)。

我們團(tuán)隊(duì)歷時(shí)9年，利用人類幾千年積累的化學(xué)經(jīng)驗(yàn)和知識，建立了龐大的數(shù)據(jù)庫，自主開發(fā)了高效科研機(jī)器人指令集，打造出世界上最先進(jìn)的智能機(jī)器化學(xué)家。通過人工智能驅(qū)動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，以智能新范式在兩個月內(nèi)破解了人類實(shí)驗(yàn)需要兩千年的復(fù)雜優(yōu)化難題——利用火星隕石成功創(chuàng)制出實(shí)用的產(chǎn)氧電催化劑，這一成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然-合成》上。自然新聞（naturenews）專門采訪美國航空航天局的火星資源利用計(jì)劃并比照各自優(yōu)勢，認(rèn)為我們?yōu)榛鹦翘綔y和地外文明探索提供了新的技術(shù)手段。

團(tuán)隊(duì)把這個智能機(jī)器化學(xué)家命名為“小來”，標(biāo)示著未來物質(zhì)科學(xué)探索的新紀(jì)元。它與人類智慧的結(jié)合將開啟物質(zhì)科學(xué)全新的可能性，引領(lǐng)人類在星辰大海中不斷追尋知識的邊界。

2.“小來”的誕生

“小來”的誕生凝結(jié)了研究團(tuán)隊(duì)老中青三代研究者的智慧。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心主任羅毅，在譜學(xué)方面見解獨(dú)到。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對重要元素與化合物進(jìn)行深入的譜學(xué)研究，用智能化的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，建立起一套相對精細(xì)完整的譜學(xué)智能模型，使得“小來”具備了精準(zhǔn)的譜學(xué)探測與解析功能，擁有了犀利的“感官”，得以在未知場景下探尋深層物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

譜學(xué)讓物質(zhì)感知成為可能，而如何真正實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的深層次理解則成為新的挑戰(zhàn)。筆者帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立起包含各種物質(zhì)和材料的科學(xué)大數(shù)據(jù)庫，結(jié)合現(xiàn)代日新月異的科技手段，把過去、現(xiàn)在和未來的知識串聯(lián)起來。歷時(shí)9年，我們搭建了中國人自己的材料大數(shù)據(jù)庫，發(fā)展譜學(xué)智能模型算法，深度探索物質(zhì)世界的“譜-構(gòu)-效”關(guān)系。

盡管團(tuán)隊(duì)匯集了一批物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域最優(yōu)秀的科學(xué)家和研究生，這條路也并非一帆風(fēng)順。為了培育“小來”的“化學(xué)大腦”，使其實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的真正理解，首先要讓“小來”能夠自主閱讀人類文獻(xiàn)資料獲取知識，這需要對海量文本數(shù)據(jù)做人工標(biāo)注?！靶怼睋碛械那f條有效標(biāo)注的數(shù)據(jù)，是全校上百名同學(xué)接力完成的。這些最優(yōu)秀學(xué)子默默承擔(dān)起枯燥煩瑣的重復(fù)勞動，才最終使得“小來”能夠快速閱讀并分析文獻(xiàn)資料，從前人寶貴的知識中汲取充足的養(yǎng)分，不斷進(jìn)化“化學(xué)大腦”，產(chǎn)生化學(xué)智能并理解物質(zhì)的真正含義。

擁有了犀利的“感官”和“化學(xué)大腦”，如何驅(qū)動“小來”實(shí)現(xiàn)更快速、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作分析，協(xié)助人類科學(xué)家更高效地解鎖物質(zhì)世界的奧秘呢？

團(tuán)隊(duì)里的年輕人挑起大梁。他們夜以繼日，機(jī)械設(shè)計(jì)、程序編寫、材料選配、設(shè)備定制、工藝整合、軟硬件系統(tǒng)集成等，花費(fèi)大量時(shí)間摸索并尋求解決方案。擁有“化學(xué)大腦”的“小來”要想進(jìn)一步升級迭代和完成各種實(shí)驗(yàn)操作，需要和所有其他最先進(jìn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備兼容適配。移動機(jī)器人和智能化學(xué)工作站的聯(lián)動需要全方位整合設(shè)計(jì)工藝流程，極其復(fù)雜煩瑣。最開始調(diào)試整合時(shí)，儀器設(shè)備不配合響應(yīng)，同學(xué)們連續(xù)3個星期在實(shí)驗(yàn)室里，不斷重復(fù)發(fā)送信號、等待反饋、記錄響應(yīng)的動作。3000多次的重復(fù)，一點(diǎn)一點(diǎn)地逆向試出了底層控制邏輯。他們編寫的驅(qū)動程序成功對多類科學(xué)儀器實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，后來知名設(shè)備廠商主動聯(lián)系團(tuán)隊(duì)希望購買該類程序。

在無數(shù)次通宵達(dá)旦的工作后，融合化學(xué)“大腦”，集成2臺移動機(jī)器人、19個智能化學(xué)工作站和高通量計(jì)算系統(tǒng)，覆蓋科學(xué)研究方法論全流程的機(jī)器化學(xué)家平臺誕生，“小來”終成完全體。

3.化學(xué)家的好“助手”

機(jī)器化學(xué)家并非可完全取代人類科學(xué)家，而是與我們協(xié)同工作的重要伙伴。

團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家朱青首先感受到“小來”的強(qiáng)大之處，在“小來”的協(xié)助下，短短5周內(nèi)就開發(fā)出原本通過實(shí)驗(yàn)試錯需要1400年才能成功的高熵催化劑。他說：“以前做實(shí)驗(yàn)要沒日沒夜在實(shí)驗(yàn)室盯著反應(yīng)，反復(fù)嘗試，而現(xiàn)在只需要坐在電腦屏幕前，輸入研究目標(biāo)參數(shù)，‘小來’便可自主閱讀文獻(xiàn)并提出實(shí)驗(yàn)方案，自動執(zhí)行計(jì)算-合成-表征-測試的全流程，總結(jié)規(guī)律并給出精準(zhǔn)預(yù)測，最終解決問題。這已經(jīng)改變了實(shí)驗(yàn)科學(xué)的傳統(tǒng)試錯研究范式！”

在火星隕石的實(shí)驗(yàn)中，“小來”利用火星隕石創(chuàng)制產(chǎn)氧催化劑的成功也讓深空探測實(shí)驗(yàn)室的研究員們眼前一亮。深空探測實(shí)驗(yàn)室的使命是支撐我國探月工程四期和行星探測工程任務(wù)，而“小來”為克服未來星際任務(wù)中便攜制氧和資源原位利用難題探索出新路線。

如果用人工方式來做實(shí)驗(yàn)，以五種不同的火星礦石作為原料，按照常規(guī)以1%間隔的整數(shù)百分比組合估計(jì)，有超過376萬個配方的排列組合，按每個實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證至少5小時(shí)計(jì)算，找到最佳配方需要2000年。而“小來”只用了5個星期就做完了實(shí)驗(yàn)。給出的優(yōu)化后的催化劑配方，可以提供足夠的氧氣。同時(shí)“小來”可以替代人類進(jìn)入各種惡劣環(huán)境，有望成為人類在外星球建立定居點(diǎn)的先頭部隊(duì)。

英國皇家科學(xué)院andy cooper院士在評價(jià)“小來”的工作時(shí)表示：“人工智能賦能材料合成是一個具有前景的創(chuàng)新領(lǐng)域，極有可能廣泛應(yīng)用到所有類型的化學(xué)研究中?！?/p>

自誕生起就吸引全球研究者目光的“小來”還在以不可思議的速度成長進(jìn)化。羅毅暢想：“利用機(jī)器化學(xué)家平臺，我們致力于建立超大規(guī)模譜學(xué)大模型，發(fā)展基于譜學(xué)的通用化學(xué)智能，打造真正的最強(qiáng)化學(xué)大腦。”

在不遠(yuǎn)的將來，機(jī)器化學(xué)家平臺有望成百上千倍地?cái)U(kuò)大規(guī)模，多地聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)多種不同形態(tài)的智能機(jī)器人協(xié)同操作多種功能的智能化學(xué)工作站，日均完成萬次以上化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作，應(yīng)對日益復(fù)雜和深入的科學(xué)問題，滿足航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、材料科學(xué)、化工原料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的研發(fā)需求。

（作者：江俊，系中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授）

本文圖片均由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)提供

《光明日報(bào)》（ 2023年12月31日 06版）