研究人員開(kāi)發(fā)了人工智能驅動(dòng)的移動(dòng)機器人，可以高效地進(jìn)行化學(xué)合成研究

Liverpool研究團隊開(kāi)發(fā)了一個(gè)由多模塊單元組成的高度集成且智能化的化學(xué)實(shí)驗平臺，為機器人賦予更高的靈活性。該系統基于 KUKA 機器人平臺構建，定位精度可達 ±0.12 毫米，并配備了激光掃描儀和力傳感器等各種傳感器，能精確完成實(shí)驗室操作。

用于移動(dòng) agent 處理的定制核磁共振機架。左圖：組裝好的機架預先裝有核磁共振管，并放置在 ISynth 平臺內，然后液體輸送工具將液體分配到管子中，管子有帶孔的蓋子，以便分配。右圖：NMR-Agent 使用定制的指尖，使其能夠垂直和水平地抓握和移動(dòng)機架。垂直握把方向用于從 ISynth 甲板上取下機架，水平握把方向用于將機架移入臺式核磁共振自動(dòng)采樣器。

系統的核心控制單元是智能自動(dòng)化系統控制面板（IAS - CP），采用 ZeroMQ 通信協(xié)議，可以將實(shí)驗室的各種儀器模塊（如合成反應平臺、UPLC–MS（超高效液相色譜—質(zhì)譜）和 NMR（核磁共振）等）無(wú)縫連接，實(shí)現實(shí)驗數據的實(shí)時(shí)傳輸與自主分析。

IAS-CP 可通過(guò)廣播向各實(shí)驗模塊傳遞指令，對多臺儀器進(jìn)行高效調度，靈活控制實(shí)驗進(jìn)程，且支持非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，這種靈活性使其在多步驟化學(xué)反應中的應用能力大大提升。

1.75 米高的移動(dòng)機器人系統用于解決探索性化學(xué)中的三個(gè)主要問(wèn)題：執行反應、分析產(chǎn)物以及根據數據決定下一步做什么。

這兩個(gè)機器人在解決化學(xué)合成的三個(gè)不同領(lǐng)域的問(wèn)題時(shí)以合作的方式執行這些任務(wù)——結構多樣化化學(xué)（與藥物發(fā)現相關(guān)）、超分子主客體化學(xué)和光化學(xué)合成。

結果發(fā)現，借助 AI 功能，移動(dòng)機器人做出與人類(lèi)研究人員相同或相似的決定，但這些決定的時(shí)間比人類(lèi)快得多，而人類(lèi)可能需要數小時(shí)。

領(lǐng)導該項目的利物浦大學(xué)化學(xué)和材料創(chuàng )新工廠(chǎng)系的 Andrew Cooper 教授解釋說(shuō)：

“化學(xué)合成研究既耗時(shí)又昂貴，無(wú)論是在物理實(shí)驗還是決定下一步要做什么實(shí)驗方面，因此使用智能機器人提供了一種加速這一過(guò)程的方法。

“當人們想到機器人和化學(xué)自動(dòng)化時(shí)，他們往往會(huì )想到混合溶液、加熱反應等。這是其中的一部分，但決策至少可能同樣耗時(shí)。對于探索性化學(xué)尤其如此，因為你不確定結果。它涉及基于多個(gè)數據集的關(guān)于某事是否有趣的微妙的上下文決策。對于研究化學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是一項耗時(shí)的任務(wù)，但對 AI 來(lái)說(shuō)卻是一個(gè)棘手的問(wèn)題。

決策是探索性化學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。例如，研究人員可能會(huì )運行多個(gè)試驗反應，然后決定只放大反應產(chǎn)量高或有趣產(chǎn)物的反應。這對 AI 來(lái)說(shuō)很難做到，因為某件事是否“有趣”且值得追求的問(wèn)題可能有多種背景，例如反應產(chǎn)物的新穎性，或者合成路線(xiàn)的成本和復雜性。

前利物浦大學(xué)博士生、化學(xué)系博士后研究員 Sriram Vijayakrishnan 博士領(lǐng)導了合成工作，他解釋說(shuō)：“當我攻讀博士學(xué)位時(shí)，我手工完成了許多化學(xué)反應。通常，收集和弄清楚分析數據所需的時(shí)間與設置實(shí)驗的時(shí)間一樣長(cháng)。當您開(kāi)始自動(dòng)化化學(xué)時(shí)，這個(gè)數據分析問(wèn)題變得更加嚴重。你最終可能會(huì )淹沒(méi)在數據中。

“我們通過(guò)為機器人構建 AI 邏輯來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這將處理分析數據集以做出自主決策 -- 例如，是否繼續進(jìn)行反應的下一步。這個(gè)決定基本上是即時(shí)的，所以如果機器人在凌晨 3：00 進(jìn)行分析，那么它將在凌晨 3：01 之前決定對進(jìn)展的反應。相比之下，化學(xué)家可能需要幾個(gè)小時(shí)才能瀏覽相同的數據集。

Cooper 教授補充說(shuō)：“與訓練有素的研究人員相比，這些機器人的背景廣度較小，因此在目前的形式下，它不會(huì )有"靈光乍現"的時(shí)刻。但對于我們在這里交給的任務(wù)，AI 邏輯在這三個(gè)不同的化學(xué)問(wèn)題上做出的決策或多或少與合成化學(xué)家相同，而且它在眨眼間做出這些決定。擴展對 AI 的上下文理解也有很大的空間，例如，通過(guò)使用大型語(yǔ)言模型將其直接連接到相關(guān)的科學(xué)文獻。

未來(lái)，利物浦團隊希望利用這項技術(shù)來(lái)發(fā)現與藥物合成相關(guān)的化學(xué)反應，以及用于二氧化碳捕獲等應用的新材料。