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羅毅、江?。ㄖ校﹫F(tuán)隊(duì)部分成員在實(shí)驗(yàn)室合影。 通訊員 張大崗 攝
“機(jī)器化學(xué)家”實(shí)驗(yàn)圖。 通訊員 張大崗 攝
能自主閱讀文獻(xiàn)，制定實(shí)驗(yàn)方案，在無(wú)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(guó)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(guò)八年攻關(guān)研制出的“機(jī)器化學(xué)家”。
這個(gè)神奇的“機(jī)器化學(xué)家”是全球首個(gè)數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)的全流程機(jī)器化學(xué)家平臺(tái)，它由開發(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(kù)研制而成。相關(guān)研究成果論文發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》期刊上。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”。
“這主要得益于中國(guó)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?！苯≌f(shuō)。
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)?！拔业氖痔貏e笨，所以做實(shí)驗(yàn)失敗是常有的事?！苯⌒χf(shuō)，后來(lái)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(guó)人在學(xué)術(shù)上非常“被動(dòng)”?！拔覀冏隽舜罅康难芯抗ぷ鳎罱K成果發(fā)表在外文期刊上。但引用這些論文數(shù)據(jù)時(shí)還得花錢買，并且只有訪問(wèn)權(quán)，不允許大量下載?！苯≌J(rèn)為，“我們應(yīng)該做中國(guó)人自己的材料數(shù)據(jù)庫(kù)”。
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(lái)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(cuò)”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(zhǎng)；隨著化學(xué)研究對(duì)象日益復(fù)雜化、高維化，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。
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(guò)分析大量化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)建立知識(shí)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(wú)編程基礎(chǔ)”的科研用戶使用。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)員和16個(gè)化學(xué)工作站之間能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和互動(dòng)，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(wàn)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(wàn)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(shí)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(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(shì)，引領(lǐng)化學(xué)研究朝著知識(shí)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(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。
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(duì)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)員的操作質(zhì)量進(jìn)行評(píng)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(gè)化學(xué)工作站的軟硬件開發(fā)；自動(dòng)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(gè)難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的精準(zhǔn)模仿?！苯≌f(shuō)，人可以自然而然或是通過(guò)訓(xùn)練做出很多動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)程序時(shí)，由于信息掌握不充足，無(wú)法準(zhǔn)確理解并調(diào)用儀器接口。他們多次聯(lián)系了國(guó)外儀器廠商和代理商，但是得到的回應(yīng)都是“無(wú)可奉告” “商業(yè)機(jī)密”。為此，他們決定自力更生。
“當(dāng)時(shí)，我們用了3個(gè)星期的時(shí)間，重復(fù)做了3000次發(fā)送信號(hào)、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(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制?！壁w路遠(yuǎn)說(shuō)。令她自豪的是，后來(lái)國(guó)外儀器廠商主動(dòng)聯(lián)系，希望可以購(gòu)買他們研發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序。
2021年12月2日，“機(jī)器化學(xué)家”迎來(lái)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(wú)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(cè)設(shè)備，可能會(huì)互相干擾。于是，他將機(jī)械臂換一個(gè)朝向，解決了問(wèn)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(duì)的問(wèn)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(guò)交叉學(xué)科思維，將它們逐一擊破。
展望“機(jī)器化學(xué)家”大科學(xué)裝置
人類可以通過(guò)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(shí)判斷出這些變化的含義。賦予機(jī)器人物質(zhì)級(jí)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(shí)別出顏色變化；此外，還可以加上光譜。科研人員根據(jù)光譜變化，進(jìn)而了解實(shí)驗(yàn)中微觀物質(zhì)演化情況?！苯〗忉尩馈?/p>
對(duì)于未來(lái)，江俊希望他們可以建成一個(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。一邊，全國(guó)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(guò)智能操作系統(tǒng)分時(shí)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(gè)大平臺(tái)，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)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提煉出數(shù)字化的知識(shí)圖譜和人工智能的模型，進(jìn)而指導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)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(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)器人通過(guò)與科研人員互動(dòng)，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(huì)變成一個(gè)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(zhēng)取到國(guó)家的支持，在2至3年內(nèi)建成擁有幾十臺(tái)機(jī)器人的小型裝置，3至5年后建成一個(gè)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?！苯∫?guī)劃著未來(lái)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。
（陳婉婉 王敏 羅娜）