再登《Nature》封面!可灵活移动的机器人每天工作 21.5 小时,8 天发现新催化剂材料

再登《Nature》封面!可灵活移动的机器人每天工作 21.5 小时,8 天发现新催化剂材料

灵活穿梭实验室的科学家,可能不是人类,而是 AI 机器人

2019 年,利物浦大学研究团队自研一款 AI 机器人化学家。外观由固定基座和一只灵活机器手臂构成,可使用精密的实验室装置,独立研究。

据了解,AI 机器人化学家在研究方面发挥重要作用,可完成数千种催化剂筛查,并发现可撷取氢的催化剂材料,更重要的是效率惊人,可在一周内研究 1 千种催化剂配方,这相当于一名博士生 4 年的工作量。当时这发明还登上《Nature》封面。

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最新一期《Nature》封面再次发现这位机器人化学家,不过是全新升级版,不仅可像人类自由穿梭于实验室,且还能一周工作 7 天,一天工作 21.5 小时,高强度不会累。余下 2.5 小时还是用来充电,工作时长远超过人类。

最重要的是,它比人类还聪明,自己发现一种新型催化剂材料。

聪明又能干的机器人化学家

利物浦大学研究团队经过一年研究改造,现在 AI 机器人化学家已具备人形特征,身高 175 公分,体重 400 公斤。虽然体重较重,但动作一点也不笨重。之前 AI 化学家只能固定位置,透过灵活的手臂做实验,现在它可以自己滑动了。

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AI 机器人与人类最大差别是,工作效率非常高,且昼夜不停。最近的研究,这位化学家 8 天工作 172 小时,移动 319 次,完成 6,500 次操纵,相当于走了 2.17 公里,正常人类最长工作 88 小时,还是超负荷状态。

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▲ 不分昼夜,活脱脱的工具人。

另外,AI 机器人化学家能使用实验室所有装置,不需要指导。成员之一班杰明‧伯格(Benjamin Burger)博士介绍,它的思考可达到 10 个维度,实验室所有基础工作都能独立执行,如秤量固体,配置液体,除去容器空气,执行催化反应及定量反应产物等。

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这虽然还不能成为真正意义的化学家。称 AI 机器人为化学家是因为它不局限在机器劳动,而迈向自主研究阶段。最近的实验,它首次发现一种高活性催化剂。

实验室负责人安迪‧库珀(Andy Cooper)教授介绍,“它不只是实验室机器,而是超强团队成员”。

目前最大的挑战是让系统坚固耐用。伯格说:“如果要长期自主工作,平稳进行数千次精细操作,每项工作的出错率要极低。但一旦目标达成,与人类操作员相比,机器人犯的错要少得多。”

自主发现高活性催化剂

AI 机器人化学家是 Andy Cooper 实验室与 Leverhulme 功能材料设计研究中心联合开发的新计划,一直希望透过现代电脑技术的力量改变新材料的发现过程。

这点与库珀不谋而合。我们知道,生物、化学领域有数以亿计的化合物分子,规模和复杂性一直是实验室难以克服的问题。

库珀团队认为,机器人可在这方面发挥独特优势,透过 AI 技术在广阔、未经开发的化学空间高效探索,挖掘潜在新型材料。由于样品类别、仪器和测量多样性的要求,库珀团队开发 AI 机器人化学家主要用来搜索、筛查和发现能从水中撷取氢气的光催化剂。

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最近经过 688 次实验后,AI 化学家首次发现比原始配方活性高 6 倍的光催化剂混合物。

它是如何发现的?AI 机器人化学家首要目的是不断提高光催化剂 P10 /L-cysteine(半胱氨酸)系统的 HER(自动析出氢气率)。研究人员使用 5 种假设训练它。

分解催化剂之前,它的基本工作流程是:将空样品瓶载入固体配置站,然后在气相色谱仪台装上新样品分析。最后根据结果,将完成样品存入对应的输入站。

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AI 机器人的工作环境和装置与人类并无不同,包括 GC、气相色谱仪、输入站等,AI 机器人化学家能透过雷射扫描和触摸回馈系统甄选和回馈位置、仪器和药物。

研究人员介绍,试验关键在于 AI 化学家内建贝叶斯搜索演算法,但根据前一次实验结果确定下一步最佳试验方式,经过优化训练后,最终发现这款高活性新型光催化剂材料。

据了解,实验的复杂程度与变数成级数关系,人类往往因处理变数较少,局限在狭窄范围内,AI 机器人化学家的探索空间包含 11 个变数,相当于机器人大脑在 10,800 万个候选实验的 10 维空间搜索。

要强调的是,AI 机器人出色的效能表现,并非为了超越人类,而是辅助人类完成研发。库珀表示,“研发战略目标是使研究人员自动化,而不是使仪器自动化。AI 机器人的弹性和创造性,有助于解决问题和改变工作方式,为研究人员挪出更多时间创造性思考。”

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(本文由 雷锋网 授权转载;首图来源:利物浦大学)

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