Ученые разработали автономного робота-химика, управляемого искусственным интеллектом

Химики Амстердамского университета (UvA) разработали автономного робота для химического синтеза со встроенным блоком машинного обучения, который управляется искусственным интеллектом. Настольное устройство, получившее название «RoboChem», может превзойти химика-человека с точки зрения скорости и точности выполнения расчетов, а также продемонстрирует высокий уровень изобретательности.

RoboChem — это автономная платформа для быстрого, точного и круглосуточного химического синтеза. Фото: Амстердамский университет.

Будучи первым в своем роде, он может значительно ускорить открытие молекул для фармацевтических и многих других применений. Первые результаты RoboChem опубликованы в журнале Science.

RoboChem был разработан группой профессора Тимоти Ноэля из Института молекулярных исследований имени Я. Х. Вант-Гоффа. По мнению ученых, RoboChem — точный и надежный химик, который может выполнять различные реакции, производя при этом минимальное количество отходов.

Работая автономно в круглосуточном режиме, система обеспечивает результаты быстро и без устали. «За неделю мы можем оптимизировать синтез примерно десяти-двадцати молекул. Аспиранту на это потребовалось бы несколько месяцев», — говорит Ноэль.

Мозг RoboChem

Группа Ноэля специализируется на проточной химии — новом способе проведения химических исследований, при котором система небольших гибких трубок заменяет мензурки, колбы и другие традиционные химические инструменты. В RoboChem роботизированная игла тщательно собирает исходные материалы и смешивает их в небольших объемах (чуть более половины миллилитра). Затем они текут по системе труб к реактору, где свет мощных светодиодов запускает молекулярное преобразование, активируя фотокатализатор, включенный в реакционную смесь. Затем поток продолжается к автоматизированному ЯМР-спектрометру, который идентифицирует трансформированные молекулы. Эти данные в режиме реального времени передаются обратно на компьютер, который управляет RoboChem. «Это мозг RoboChem», — говорит Ноэль. «Он обрабатывает информацию с помощью искусственного интеллекта. Мы используем алгоритм машинного обучения, который автономно определяет, какие реакции выполнять. Он всегда стремится к оптимальному результату и постоянно совершенствует свое понимание химии».

Впечатляющая изобретательность

Группа приложила немало усилий для обоснования результатов RoboChem. Все молекулы, включенные в научный доклад, были изолированы и проверены вручную. Ноэль говорит, что система поразила его своей изобретательностью: «Я работаю над фотокатализом уже более десяти лет. Тем не менее, RoboChem показал результаты, которые я не смог бы предсказать. Например, он выявил реакции, для которых требуется очень мало света. Временами мне приходилось чесать голову, чтобы понять, что он сделал. Затем вы задаетесь вопросом: поступили бы мы так же? Оглядываясь назад, вы видите логику RoboChem. Но я сомневаюсь, что мы сами получили бы такие же результаты. Или, по крайней мере, не так быстро».

Исследователи также использовали RoboChem для повторения предыдущих исследований, опубликованных в четырех случайно выбранных статьях. «Примерно в 80% случаев система давала более лучшие результаты. Для остальных 20% результаты были аналогичными», — говорит Ноэль. «Это не оставляет у меня сомнений в том, что подход с помощью ИИ будет полезен для химических открытий в самом широком смысле».

Прорывы в химии с использованием ИИ

По словам Ноэля, актуальность RoboChem также заключается в получении детальных данных. «В традиционных химических открытиях тщательно исследуются лишь несколько молекул. Затем результаты экстраполируются на, казалось бы, похожие молекулы. RoboChem создает полный и всеобъемлющий набор данных, в котором все соответствующие параметры получены для каждой отдельной молекулы. Это дает гораздо больше понимания».

Еще одна особенность заключается в том, что система записывает и «отрицательные» данные. В современной научной практике большинство опубликованных данных отражают только успешные эксперименты. «Неудачный эксперимент также дает важные данные», — говорит Ноэль. «Но это можно найти только в рукописных лабораторных заметках исследователей». Они не публикуются и, следовательно, недоступны для химии на основе искусственного интеллекта. RoboChem изменит и это. Я не сомневаюсь, что если вы хотите совершить прорыв в химии с помощью ИИ, вам понадобятся именно такие роботы».