在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的機(jī)器化學(xué)家實(shí)驗(yàn)室，可以看見頗具科技感的一幕——一個(gè)體型“敦實(shí)”但動(dòng)作靈活的機(jī)器人，在操作臺(tái)之間穿梭，伸出機(jī)械手臂配制試劑。實(shí)驗(yàn)室另一邊，年輕科研人員正輸入指令，對機(jī)器人進(jìn)行“隔空”控制。大部分情況下，這臺(tái)機(jī)器人會(huì)自主思考實(shí)驗(yàn)的步驟和方案，像個(gè)不知疲憊的“小化學(xué)家”。

這個(gè)神奇的“機(jī)器化學(xué)家”是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)物理系教授江俊團(tuán)隊(duì)的“作品”，由開發(fā)和集成移動(dòng)機(jī)器人、智能化學(xué)工作站、智能操作系統(tǒng)、科學(xué)數(shù)據(jù)與模型庫研制而成，是全球首個(gè)集閱讀文獻(xiàn)、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、覆蓋材料開發(fā)全流程的機(jī)器化學(xué)家平臺(tái)，從數(shù)以億計(jì)的可能組合中找到最優(yōu)解來加快材料研發(fā)。

“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，輸入到平******有的計(jì)算大腦中，產(chǎn)生理實(shí)交融的人工智能模型，幫助科研人員優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。”江俊說。

該研究成果論文已在《國家科學(xué)評論》學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。國際審稿人評價(jià)說，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”“將對化學(xué)科學(xué)產(chǎn)生巨大影響”。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，機(jī)器化學(xué)家的研究工作脫離了傳統(tǒng)試錯(cuò)研究范式的限制，展現(xiàn)出“最強(qiáng)化學(xué)大腦”指導(dǎo)的智能新范式的巨大優(yōu)勢，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)制模板化的未來趨勢前進(jìn)。

▲ 研究人員在控制室分析電催化機(jī)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

江俊團(tuán)隊(duì)有近30位成員，其中多數(shù)是90后、95后。

近日，該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用我們前面提到的這個(gè)“機(jī)器化學(xué)家”，采用火星隕石成功研制出新型催化劑，為利用火星上的水制備氧氣提供了高效率、低能耗的解決方案，探索出一條在地球外星系就地取材研制化學(xué)品的新路。11月14日，國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·合成》發(fā)表了這一研究成果。

▲  智能機(jī)器人火星探礦制氧假想圖

該研究成果有什么用？意味著什么？

到火星上棲居是人類的夢想之一，但實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢想首先要解決的便是缺氧問題。

火星大氣中的含氧量極低，無法滿足人類生存。如何能在火星上制備出氧氣？近年來，國際科學(xué)界發(fā)現(xiàn)火星上存在大量的水，那么在火星上利用太陽能發(fā)電，再用電從水中解析出氧氣，成為可行的技術(shù)方案之一。

但是，“電解水”還需要使用催化劑，來解決制氧速度慢、能耗高等問題，而從地球運(yùn)送的成本非常高昂。因此，能否在火星上就地取材研制催化劑，成為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。此外，低溫、低氣壓、高輻射的火星環(huán)境，對人類登陸后“就地研發(fā)”很不利。

針對這些問題，中科大和深空探測實(shí)驗(yàn)室科研人員合作，利用自“機(jī)器化學(xué)家”，從火星隕石中分析并提取成分，研制出一種新型制氧催化劑。

11月10日，中科大科研團(tuán)隊(duì)與工作中的“機(jī)器化學(xué)家”

中科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心主任羅毅說，這項(xiàng)研究成功驗(yàn)證了人工智能可以自動(dòng)研制新材料，有望為人類在遠(yuǎn)離地球的星球上制備氧氣、建造基地、生產(chǎn)食物等作出貢獻(xiàn)，并利用火星資源研制出更多化學(xué)品，幫助我們進(jìn)一步探索太陽系深處。

據(jù)悉，中科大研制的“機(jī)器化學(xué)家”名叫“小來”，它不僅“會(huì)學(xué)”還“會(huì)想”“會(huì)做”。這次研制催化劑，根據(jù)火星隕石的多種化學(xué)成分，一共有376萬多種可能的組合配方，如果靠人類科研團(tuán)隊(duì)一一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證需要兩千多年。

“機(jī)器化學(xué)家”研制催化劑全流程示意圖。（中科大供圖）

“‘小來’學(xué)習(xí)了5萬多篇相關(guān)的化學(xué)論文，用‘智能大腦’思考并設(shè)計(jì)出一個(gè)基礎(chǔ)配方，然后做實(shí)驗(yàn)并根據(jù)結(jié)果不斷調(diào)整配比，用6周時(shí)間找到最佳配方?！苯≌f，機(jī)器人自主發(fā)現(xiàn)并研制化學(xué)品，為人類探索星空提供了一條新路。

“機(jī)器化學(xué)家”是否會(huì)對主攻化學(xué)的科研人員造成沖擊？

“研究初期有人質(zhì)疑我說，人家是做顛覆性技術(shù)，你是顛覆同事。其實(shí)不是這樣的?！苯≌f，一個(gè)好的工具會(huì)帶來很多可能性，科研人員會(huì)借此發(fā)現(xiàn)更多理論。他舉例說，目前50%的化工能耗用在了分離提純產(chǎn)物上，如果能精準(zhǔn)控制、智能設(shè)計(jì)，不再產(chǎn)生副產(chǎn)物和污染，“綠色化學(xué)”才能真正實(shí)現(xiàn)。所以，好的工具會(huì)讓科研人員“越來越忙”。

江俊認(rèn)為，今后的化學(xué)人才要有扎實(shí)的基礎(chǔ)，將專業(yè)知識(shí)學(xué)精，另外要有開放的心態(tài)，敢于學(xué)習(xí)新的知識(shí)。

談及未來計(jì)劃，江俊說，科研團(tuán)隊(duì)將賦予“小來”五官外形，讓它看起來像真正的化學(xué)家一樣，可以聞到化學(xué)品的氣味，看到化學(xué)品的顏色，感知溫度、濕度和壓力。

他們計(jì)劃為機(jī)器人安裝紅外探頭和拉曼探頭，使其既有紅外視覺又有可見光視覺?！叭祟惾庋壑荒芸吹酱笾潞暧^的現(xiàn)象，通過光譜，機(jī)器人可以把微觀信息理解清楚，預(yù)測很多金屬材料的催化活性?！?/p>

目前，第一代操作系統(tǒng)支持機(jī)器人同時(shí)做三個(gè)實(shí)驗(yàn)，對設(shè)備進(jìn)行分時(shí)復(fù)用。未來的第二代系統(tǒng)可以容納百個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行。他描述了未來“機(jī)器化學(xué)家”集中做實(shí)驗(yàn)的場景：在高新區(qū)的大型實(shí)驗(yàn)室中，有的機(jī)器人在地上跑，有的在空中漂浮，還有的在操作臺(tái)前忙碌。

在更遠(yuǎn)的未來，上百個(gè)機(jī)器人日均可以完成百萬級操作，上千個(gè)化學(xué)工作站可以覆蓋所有化學(xué)功能?；谶@個(gè)大平臺(tái)，各個(gè)課題組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交匯、共享，可以產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提煉出數(shù)字化的知識(shí)圖譜和人工智能模型，進(jìn)而指導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)優(yōu)化，產(chǎn)生更好性能、更高效率的化學(xué)品或新材料。

“屆時(shí)，我們可以坐在咖啡廳，對著屏幕指揮機(jī)器人幫我們完成化學(xué)研究?！彼硎?，團(tuán)隊(duì)的終極目標(biāo)是：未來有一天產(chǎn)生具備創(chuàng)造力的“機(jī)器化學(xué)家”，建立起數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動(dòng)的化學(xué)研究新范式。

資料來源 | 科學(xué)大院-江邊、央視新聞、中國青年網(wǎng)、新京報(bào)、人民日報(bào)、中國科學(xué)報(bào)