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中國(guó)科大研制出初步實(shí)現(xiàn)智能化學(xué)范式的機(jī)器化學(xué)家

來(lái)源:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)      2022-10-07
導(dǎo)讀:在中國(guó)科學(xué)院“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的化學(xué)、材料和生物科學(xué)的機(jī)器科學(xué)家”青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目的資助下,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院羅毅、江俊教授團(tuán)隊(duì)與自動(dòng)化系尚偉偉等合作,通過(guò)開發(fā)和集成移動(dòng)機(jī)器人、化學(xué)工作站、智能操作系統(tǒng)、科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù),研制出數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)的全流程機(jī)器化學(xué)家。相關(guān)研究成果以于2022年9月發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(Natl. Sci. Rev.)上。

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圖1  全球首個(gè)數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)的全流程機(jī)器化學(xué)家

機(jī)器化學(xué)家平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)與智能模型雙驅(qū)動(dòng)下的化學(xué)合成-表征-測(cè)試全流程開發(fā),在軟硬件方面已全面超過(guò)歐美同類裝置,具有更強(qiáng)的化學(xué)智能和廣泛的化學(xué)品開發(fā)能力,目前已涵蓋光催化與電催化材料、發(fā)光分子、光學(xué)薄膜材料等,且適用范圍將隨平臺(tái)升級(jí)和拓展繼續(xù)擴(kuò)大。該平臺(tái)可采用機(jī)器智能去查找和閱讀文獻(xiàn),從海量研究數(shù)據(jù)中汲取專家經(jīng)驗(yàn),在前人知識(shí)與數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出科學(xué)假說(shuō)并制定實(shí)驗(yàn)方案;調(diào)度2臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人和15個(gè)自主開發(fā)的智能化學(xué)工作站,完成高通量合成、表征、測(cè)試的化學(xué)實(shí)驗(yàn)全流程(圖2),且預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)接口,具備可擴(kuò)展性;通過(guò)配套的后臺(tái)操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、分析和可視化,并裝載了云端數(shù)據(jù)庫(kù),可實(shí)時(shí)調(diào)用和更新數(shù)據(jù)庫(kù)信息;獨(dú)有的計(jì)算大腦通過(guò)調(diào)用物理模型、理論計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)和貝葉斯優(yōu)化,讓智能模型融入底層的理論規(guī)律與復(fù)雜的化學(xué)實(shí)驗(yàn)演化,使得機(jī)器科學(xué)家更加理解化學(xué),更加擅長(zhǎng)化學(xué)創(chuàng)造。

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圖2  移動(dòng)機(jī)器人和智能工作站完成高通量合成、表征、測(cè)試的化學(xué)實(shí)驗(yàn)全流程

化學(xué)研究的對(duì)象日益復(fù)雜化、高維化,傳統(tǒng)的研究范式主要是依賴于“窮舉”、“試錯(cuò)”的手段。面對(duì)龐大的化學(xué)空間,配方和工藝的搜索常常止步于局部最優(yōu),無(wú)法進(jìn)行全局探索。以潛力巨大的高熵化合物催化劑為例(圖3),其多種元素的高度無(wú)序混合帶來(lái)了高穩(wěn)定性,也給人工試驗(yàn)找出最優(yōu)配比帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。獲得最優(yōu)配方需要遍歷測(cè)試極其龐大的化學(xué)配比組合,目前僅限于對(duì)最多3種金屬組合進(jìn)行優(yōu)化。而機(jī)器化學(xué)家發(fā)揮其數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和智能優(yōu)化的優(yōu)勢(shì),智能閱讀16000篇論文并自主遴選出5種非貴金屬元素,融合2萬(wàn)組理論計(jì)算數(shù)據(jù)和207組全流程機(jī)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了理實(shí)交融的智能模型,指導(dǎo)貝葉斯優(yōu)化程序從55萬(wàn)種可能的金屬配比中找出最優(yōu)的高熵催化劑,將傳統(tǒng)“炒菜式”遍歷搜索所需的1400年縮短為5周。

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圖3  機(jī)器化學(xué)家平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高熵非貴金屬析氧反應(yīng)催化劑的高效創(chuàng)制

國(guó)際審稿人評(píng)價(jià)該成果的“機(jī)器人系統(tǒng)、工作站和智能化學(xué)大腦都是最先進(jìn)的”,“將對(duì)化學(xué)科學(xué)產(chǎn)生巨大影響”。該工作脫離了傳統(tǒng)試錯(cuò)研究范式的限制,展現(xiàn)了“最強(qiáng)化學(xué)大腦”指導(dǎo)的智能新范式的巨大優(yōu)勢(shì),引領(lǐng)化學(xué)研究朝著知識(shí)理解數(shù)字化、操作指令化、創(chuàng)制模板化的未來(lái)趨勢(shì)前進(jìn),確立了我國(guó)在智能化學(xué)創(chuàng)新領(lǐng)域的全球領(lǐng)跑地位。

論文鏈接:https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwac190/6694008



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