在“機(jī)器化學(xué)家”實(shí)驗(yàn)室里，江俊在對機(jī)器人調(diào)試化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作指令。　　張大崗攝

作為人工智能發(fā)展的一大趨勢，國際學(xué)術(shù)界已對“人工智能驅(qū)動(dòng)的科學(xué)研究”形成共識：人工智能將帶來科研范式的變革和新的產(chǎn)業(yè)業(yè)態(tài)。

(資料圖)

在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校園里，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院的一群科研人員正積極投身這項(xiàng)實(shí)踐：深耕精準(zhǔn)智能化學(xué)領(lǐng)域，推動(dòng)科研范式變革，并取得了一系列令人矚目的科研成果。

“機(jī)器化學(xué)家”展現(xiàn)出智能新范式的巨大優(yōu)勢

如何創(chuàng)制一款芬頓催化劑？在中科大“機(jī)器化學(xué)家”實(shí)驗(yàn)室里，大量瓶瓶罐罐的實(shí)驗(yàn)工作被人工智能“取代”，科研人員無需試來試去，整個(gè)過程簡單而高效。

記者在實(shí)驗(yàn)室看到，科研人員在人工智能程序中輸入問題：什么類型的非貴金屬元素常用于芬頓催化劑？很快，程序就會給出答案。程序提供的答案來自自主研發(fā)的文獻(xiàn)機(jī)器閱讀系統(tǒng)，它能迅速讀取海量文獻(xiàn)，基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，幫助科研人員選擇最佳的元素組合。接下來，就可以調(diào)出“機(jī)器化學(xué)家”平臺中保存的芬頓催化劑實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，根?jù)人工智能推薦的元素組合編輯液體進(jìn)樣站的參數(shù)，并讓名為“小來”的“機(jī)器化學(xué)家”平臺幫助進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這樣，“小來”便可以開始它的芬頓催化劑創(chuàng)制之旅。

“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，輸入‘小來’獨(dú)有的計(jì)算大腦中，產(chǎn)生人工智能模型，可以幫助科研人員優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案?！敝锌拼蠡瘜W(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授江俊告訴記者。

“小來”等人工智能工具和平臺，是中科大化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院江俊團(tuán)隊(duì)的研發(fā)成果。其中，人工智能程序由化學(xué)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，并結(jié)合人類化學(xué)家的知識進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，能夠針對使用者提出的問題給出初步的實(shí)驗(yàn)建議。“小來”則是團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的集閱讀文獻(xiàn)、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、材料開發(fā)于一體的“全流程機(jī)器化學(xué)家”平臺，它能夠從數(shù)以億計(jì)的可能組合中找到最優(yōu)解，進(jìn)而加快材料研發(fā)。

實(shí)驗(yàn)室里，由“小來”驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂伸縮自如，精確抓取配制試劑。

“全流程機(jī)器化學(xué)家”平臺到底有多強(qiáng)大？以潛力巨大的高熵化合物催化劑為例：獲得最優(yōu)配方需要測試極其龐大的化學(xué)配比組合，如果依賴傳統(tǒng)研究范式，這一過程可能需要1400年，而“機(jī)器化學(xué)家”發(fā)揮數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和智能優(yōu)化的優(yōu)勢，從55萬種可能的金屬配比中找出最優(yōu)的高熵催化劑，僅需要5周時(shí)間。

專家認(rèn)為，這種“機(jī)器化學(xué)家”的研究工作擺脫了傳統(tǒng)研究范式的限制，展現(xiàn)出智能新范式的巨大優(yōu)勢。

利用人工智能將科學(xué)知識數(shù)字化、代碼化

猜測、嘗試、糾錯(cuò)，再猜測、再嘗試……在過去150多年里，傳統(tǒng)的化學(xué)研究范式深度依賴“試錯(cuò)法”，其局限性使得物質(zhì)創(chuàng)制的周期長、成本高，難以實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能。

此后，由量子力學(xué)發(fā)展而來的量子化學(xué)，成為化學(xué)家使用的工具?；瘜W(xué)家們可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證某個(gè)理論，大大提升了效率。然而，化學(xué)研究對象日益復(fù)雜化、高維化，面對龐大的化學(xué)空間，配方和工藝的搜索常常止步于局部最優(yōu)，無法進(jìn)行全局探索。

在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域有過10年研究經(jīng)歷的江俊感慨：“我們的化學(xué)體系非常復(fù)雜，超算雖然進(jìn)化很快，但還是無法應(yīng)對它的復(fù)雜度?！?/p>

怎么辦？必須找到新的方法。

和江俊一樣，中科大教授李震宇也一直在關(guān)注和思考這個(gè)問題。

“精準(zhǔn)化是所有化學(xué)家的一個(gè)夢想。我希望把這個(gè)東西放進(jìn)去，想讓它轉(zhuǎn)化成什么就能百分百轉(zhuǎn)化成什么，過程中還不會產(chǎn)生任何另外的東西?！崩钫鹩钫f，“這就要求整個(gè)化學(xué)研究能做到精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)、表征、制備和調(diào)控，要求整個(gè)過程是透明可控的，里面的機(jī)理也是清楚的。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，整個(gè)研究范式必須改變。”

逐漸興起并快速迭代進(jìn)化的大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，讓江俊和李震宇看到了解決這些難題的希望。

江俊認(rèn)為，大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)可以把科學(xué)知識數(shù)字化、代碼化，并進(jìn)行遷移?！耙簿褪钦f，我們隨時(shí)調(diào)用優(yōu)秀研究者發(fā)明的代碼。他們的智慧結(jié)晶，只要我用一個(gè)‘子函數(shù)’就能調(diào)用過來。如果只靠人腦來學(xué)習(xí)、實(shí)踐和訓(xùn)練的話，整個(gè)過程就會很漫長，知識的遷移就會變得低效。”

于是，江俊心中萌生了一個(gè)想法：是否可以借助人工智能技術(shù)開發(fā)一種新工具？在他的構(gòu)想當(dāng)中，這個(gè)工具能夠幫助科學(xué)家突破思維局限，利用數(shù)據(jù)建立有效的復(fù)雜模型，從而指導(dǎo)化學(xué)實(shí)踐。

2014年，江俊團(tuán)隊(duì)提出“機(jī)器化學(xué)家”概念并開展相關(guān)科研工作。經(jīng)過8年攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)通過開發(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)庫等技術(shù)，在2022年成功研制出數(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”助力催生化學(xué)研究新范式

如今，“全流程機(jī)器化學(xué)家”在科學(xué)研究中發(fā)揮著積極作用。中科大鄒綱團(tuán)隊(duì)篩選光學(xué)活性薄膜材料時(shí)，為找到目標(biāo)材料，需要混合多種分子來控制薄膜厚度、應(yīng)力、灰度等工藝條件，其可能性有上百萬種。團(tuán)隊(duì)努力了10年，終于將不對稱因子提高到了1.2，但離理論極限2.0還有非常大的差距。借助“小來”，他們在兩個(gè)月內(nèi)找到了不對稱因子1.95的工藝條件，高度逼近理論極限。

江俊成功走出了第一步，讓化學(xué)科學(xué)家們深受鼓舞，更加堅(jiān)定了以人工智能技術(shù)推動(dòng)化學(xué)科研范式變革的決心。

今年1月，中國科學(xué)院精準(zhǔn)智能化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式獲批建設(shè)，李震宇擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任?！皩?shí)驗(yàn)室主要面向世界科技前沿，聚焦如何改變化學(xué)研究范式這一關(guān)鍵科學(xué)問題，探索建立化學(xué)研究的精準(zhǔn)化、智能化雙驅(qū)動(dòng)模式?！崩钫鹩罱榻B。

李震宇認(rèn)為，當(dāng)前人工智能技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)研究最大的困難和挑戰(zhàn)來自數(shù)據(jù)。“已有的大量數(shù)據(jù)來源復(fù)雜，質(zhì)量參差不齊。這些數(shù)據(jù)混在一起，讓人工智能去學(xué)習(xí)，很可能會學(xué)到一些錯(cuò)誤的知識。所以，我們希望發(fā)展一些新的技術(shù)，能夠進(jìn)行一些更高精準(zhǔn)度的表征，同時(shí)還能夠形成一套數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在這個(gè)基礎(chǔ)上去做數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能化學(xué)?！?/p>

“機(jī)器化學(xué)家”的出現(xiàn)，讓化學(xué)家們解放了雙手。也有人擔(dān)心：未來化學(xué)家們可能會無事可做。江俊表示不用為此多慮：“一個(gè)好的技術(shù)工具出來，也會賦予更多的可能性，讓科研人員做更多的事情，發(fā)現(xiàn)更多的前沿理論?！?/p>

“機(jī)器化學(xué)家”的出現(xiàn)，推動(dòng)化學(xué)研究范式的改變，也對未來的化學(xué)發(fā)展提出了新的要求。江俊說，比如，在人才培養(yǎng)方面，既需要具備扎實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)，還要有開放的心態(tài)，要善于、敢于學(xué)習(xí)各種新知識。

未來，江俊希望建成一個(gè)“機(jī)器化學(xué)家”大科學(xué)裝置：在一整棟大樓里，布置上百個(gè)機(jī)器人、上千個(gè)智能化學(xué)工作站?；谶@樣一個(gè)大平臺，各個(gè)課題組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以交匯、共享，產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，自動(dòng)提煉出數(shù)字化的知識圖譜和人工智能的模型，進(jìn)而指導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)優(yōu)化生產(chǎn)更好、更高效率的化學(xué)品或新材料，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)的化學(xué)研究新范式。

對于精準(zhǔn)智能化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的首個(gè)重點(diǎn)應(yīng)用研究，李震宇和同事們目前有了一個(gè)明確的目標(biāo)：基于精準(zhǔn)化、智能化雙驅(qū)動(dòng)的化學(xué)研究新范式，對現(xiàn)有氮資源轉(zhuǎn)化相關(guān)反應(yīng)進(jìn)行全面評估，提出綠色低能耗轉(zhuǎn)化新路徑，創(chuàng)制新型催化體系，在氮資源綜合利用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。

李震宇說：“氮資源高效轉(zhuǎn)化是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題，希望新的研究范式能夠給我們帶來幫助?！保ū緢?bào)記者 吳月輝）

《 人民日報(bào) 》（ 2023年04月24日 第19 版）