能自主閱讀文獻(xiàn)，制定實(shí)驗(yàn)方案，在無人干預(yù)的情況下完成實(shí)驗(yàn)全流程，找出最優(yōu)解，創(chuàng)造新的化學(xué)品和材料——這正是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授羅毅、江俊團(tuán)隊(duì)經(jīng)過八年攻關(guān)研制出的“機(jī)器化學(xué)家”。
這個神奇的“機(jī)器化學(xué)家”是全球首個數(shù)據(jù)智能驅(qū)動的全流程機(jī)器化學(xué)家平臺，它由開發(fā)和集成移動機(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。相關(guān)研究成果論文發(fā)表在《國家科學(xué)評論》期刊上。審稿人評價(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”“將對化學(xué)科學(xué)產(chǎn)生巨大影響”。
“這主要得益于中國科大多學(xué)科交叉的背景，促使不同學(xué)科的科研人員匯集在一起共同做一件事。我們的目標(biāo)是建成機(jī)器化學(xué)家大科學(xué)裝置，解放化學(xué)家雙手，加快新的化學(xué)品和新的材料研發(fā)創(chuàng)制。”江俊說。
在智能化學(xué)創(chuàng)新領(lǐng)域全球領(lǐng)跑
早在2003年，還在中科院上海技術(shù)物理研究所攻讀碩博連讀學(xué)位的江俊，經(jīng)常需要做實(shí)驗(yàn)。“我的手特別笨，所以做實(shí)驗(yàn)失敗是常有的事。”江俊笑著說，后來他師從羅毅教授，專攻理論化學(xué)研究。
在做理論研究中，江俊發(fā)現(xiàn)中國人在學(xué)術(shù)上非常“被動”。“我們做了大量的研究工作，最終成果發(fā)表在外文期刊上。但引用這些論文數(shù)據(jù)時還得花錢買，并且只有訪問權(quán)，不允許大量下載。”江俊認(rèn)為，“我們應(yīng)該做中國人自己的材料數(shù)據(jù)庫”。
但是，由于算力和人類思考能力的局限，理論和實(shí)踐常常處于“脫節(jié)”狀態(tài)，也帶來了傳統(tǒng)化學(xué)研究的最大痛點(diǎn)：科研人員主要依賴于“窮舉”“試錯”的手段去創(chuàng)制新物質(zhì)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本高、周期跨度長；隨著化學(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。
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)，讓科研人員看到了解決這些難題的新機(jī)遇。2014年，羅毅、江俊及其團(tuán)隊(duì)提出“機(jī)器化學(xué)家”概念，并開展相關(guān)科研工作。八年中，他們攻堅(jiān)克難，在2022年成功研制出“機(jī)器化學(xué)家”。
“機(jī)器化學(xué)家”由“化學(xué)大腦”、機(jī)器人實(shí)驗(yàn)員和智能化學(xué)工作站三部分組成。其中最核心的“化學(xué)大腦”通過分析大量化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)建立知識圖譜，實(shí)現(xiàn)了閱讀理解文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、自主優(yōu)化方案的能力，并配備了人機(jī)交互的操作系統(tǒng)，可以便于“無編程基礎(chǔ)”的科研用戶使用。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)員和16個化學(xué)工作站之間能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和互動，精準(zhǔn)配合執(zhí)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)。
江俊展示了機(jī)器化學(xué)家的“絕技”：閱讀16000篇論文，自主遴選出5種非貴金屬元素，融合2萬組理論計(jì)算數(shù)據(jù)和200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，從55萬種可能的金屬配比中找出最優(yōu)的高熵催化劑。原本依賴消耗大量人力、物力、時間等傳統(tǒng)方式約需1400年，一下被縮短為5周。
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)研究朝著知識理解數(shù)字化、實(shí)驗(yàn)操作指令化、材料創(chuàng)制模板化的未來趨勢前進(jìn)，確立了我國在智能化學(xué)創(chuàng)新領(lǐng)域的全球領(lǐng)跑地位。
“機(jī)器化學(xué)家”實(shí)驗(yàn)圖。通訊員張大崗攝
多學(xué)科青年科學(xué)家合力攻關(guān)
如此“聰慧”的機(jī)器化學(xué)家身后是近30人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，研究員們多數(shù)是“90后”“95后”。他們分工明確，配合默契。
化學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)豐富的朱青等人負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并對機(jī)器人實(shí)驗(yàn)員的操作質(zhì)量進(jìn)行評估；黃炎等人負(fù)責(zé)理論模型的計(jì)算；張百成編寫程序，讓機(jī)器人讀論文、提出科學(xué)假設(shè)、形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和方案；肖恒宇和趙路遠(yuǎn)等主攻系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)以及各個化學(xué)工作站的軟硬件開發(fā)；自動化系的尚偉偉、張飛老師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)研制機(jī)器人。
“研發(fā)的一個難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的精準(zhǔn)模仿。”江俊說，人可以自然而然或是通過訓(xùn)練做出很多動作，但是機(jī)器人做不到。為解決該難題，尚偉偉與張飛把科研人員做實(shí)驗(yàn)的各種動作拍成視頻，然后一點(diǎn)點(diǎn)分解，最后實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)模仿。
另一個難點(diǎn)在于改造智能化學(xué)工作站。很多傳統(tǒng)的化學(xué)工作站與機(jī)器人之間并不具備遠(yuǎn)程通訊互動的功能，這就要求團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)。
趙路遠(yuǎn)和師弟曹嘉祺在編寫固體進(jìn)樣儀器的驅(qū)動程序時，由于信息掌握不充足，無法準(zhǔn)確理解并調(diào)用儀器接口。他們多次聯(lián)系了國外儀器廠商和代理商，但是得到的回應(yīng)都是“無可奉告”“商業(yè)機(jī)密”。為此，他們決定自力更生。
“當(dāng)時，我們用了3個星期的時間，重復(fù)做了3000次發(fā)送信號、等待反饋、記錄響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，逐步逆向試出底層控制邏輯，成功實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。”趙路遠(yuǎn)說。令她自豪的是，后來國外儀器廠商主動聯(lián)系，希望可以購買他們研發(fā)的驅(qū)動程序。
2021年12月2日，“機(jī)器化學(xué)家”迎來第一次系統(tǒng)整體試運(yùn)行，結(jié)果并不令人十分滿意。團(tuán)隊(duì)成員通宵達(dá)旦排查原因，仍無頭緒。肖恒宇想到化學(xué)設(shè)備和機(jī)械臂均使用了紅外探測設(shè)備，可能會互相干擾。于是，他將機(jī)械臂換一個朝向，解決了問題。
在往后的開發(fā)調(diào)試中，不同領(lǐng)域的儀器設(shè)備，不同系統(tǒng)的程序通訊間，都出現(xiàn)了類似的磨合難題。面對的問題越復(fù)雜，就越考驗(yàn)跨學(xué)科的思考能力。團(tuán)隊(duì)通過交叉學(xué)科思維，將它們逐一擊破。
“機(jī)器化學(xué)家”。通訊員張大崗攝
展望“機(jī)器化學(xué)家”大科學(xué)裝置
人類可以通過觀察顏色變化、聞到特殊味道等感官去了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，但機(jī)器人并不能實(shí)時判斷出這些變化的含義。賦予機(jī)器人物質(zhì)級別的感知能力，是團(tuán)隊(duì)目前為“機(jī)器化學(xué)家”正在增添的新本領(lǐng)。
“簡單來說，就是增強(qiáng)機(jī)器人攝像頭‘本領(lǐng)’——既有紅外視覺又有可見光視覺，使得機(jī)器人可以識別出顏色變化；此外，還可以加上光譜?？蒲腥藛T根據(jù)光譜變化，進(jìn)而了解實(shí)驗(yàn)中微觀物質(zhì)演化情況。”江俊解釋道。
對于未來，江俊希望他們可以建成一個“機(jī)器化學(xué)家”大科學(xué)裝置：在一整棟大樓里，布置上百個機(jī)器人、上千個智能化學(xué)工作站。一邊，全國的化學(xué)家、材料學(xué)家只需在網(wǎng)上提交自己的任務(wù)；另一邊，團(tuán)隊(duì)成員通過智能操作系統(tǒng)分時安排機(jī)器人完成任務(wù)，最后將方案反饋給化學(xué)家們。
基于這樣一個大平臺，各個課題組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以交匯、共享，產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動提煉出數(shù)字化的知識圖譜和人工智能的模型，進(jìn)而指導(dǎo)機(jī)器人自動優(yōu)化產(chǎn)生更好、更高效率的化學(xué)品或新材料。而且在完成各個實(shí)驗(yàn)過程中，機(jī)器人通過與科研人員互動，默默學(xué)習(xí)人類的操作邏輯、思維模式，很有可能在若干年之后，機(jī)器人會變成一個智能、創(chuàng)造力都比肩大學(xué)教授的機(jī)器化學(xué)家。
“我們希望爭取到國家的支持，在2至3年內(nèi)建成擁有幾十臺機(jī)器人的小型裝置，3至5年后建成一個大科學(xué)裝置。在這期間，我們還需要不斷訓(xùn)練機(jī)器人和智能化學(xué)通用模型。”江俊規(guī)劃著未來的研究藍(lán)圖。他們最終目標(biāo)是改變傳統(tǒng)化學(xué)研究范式，解放化學(xué)家雙手。
