迎接「AI + 化學(xué)」，化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室如何革新？
近年來，圍繞著「AI + 化學(xué)」的應(yīng)用研究層出不窮，AI在新藥研發(fā)領(lǐng)域也備受期待。
世界頂級(jí)科研期刊 《Nature》 和 《Science》，刊登了不少與之相關(guān)的最新研究。如利物浦大學(xué)自主研發(fā)的 AI 化學(xué)家 (Mobile Robotic Chemist)，8 天完成 688 次實(shí)驗(yàn)，一周時(shí)間研究 1000 種催化配方，并發(fā)現(xiàn)了一種新的催化劑，登上 《Nature》 封面。來自美國(guó)麻省理工學(xué)院 (MIT) 研究人員開發(fā)了一種結(jié)合 AI 設(shè)計(jì)合成路線和機(jī)器人執(zhí)行的自動(dòng)化合成平臺(tái)，登上 《Science》 發(fā)表。
在國(guó)內(nèi)，據(jù)公開信息顯示，華為、騰訊、阿里、百度等企業(yè)憑借它們?cè)谒惴āC(jī)器學(xué)習(xí)等方面積累的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，紛紛進(jìn)軍 AI 制藥。華為發(fā)布華為云盤古藥物分子大模型，用于輔助新藥研發(fā)；阿里與全球健康藥物研發(fā)中心合作，開發(fā)人工智能藥物研發(fā)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)；騰訊發(fā)布 AI 驅(qū)動(dòng)的藥物研發(fā)平臺(tái)云深智藥 (iDrug)，并向所有技術(shù)人員開放；百度成立“百圖生科”，致力于用高性能生物計(jì)算和多組學(xué)數(shù)據(jù)技術(shù)，加速創(chuàng)新藥物和早篩早診產(chǎn)品的研發(fā)。
我們可以看到，在 「AI + 化學(xué)」 的應(yīng)用上，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)注重計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化的結(jié)合，而國(guó)內(nèi)大廠聚焦于云端平臺(tái)和算法。然而，以化學(xué)為基礎(chǔ)的材料、制藥都是實(shí)驗(yàn)學(xué)科，幾乎所有的成果都是建立在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，現(xiàn)階段 AI 技術(shù)無法改變這一點(diǎn)。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)，分子模型建構(gòu)需要大量數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)源于化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)。因此，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)依然是重要環(huán)節(jié)。
那么，迎接 「AI + 化學(xué)」，化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室如何革新？
浪潮來襲，選擇實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化
在過去的 200 多年，研發(fā)化學(xué)新材料的方式并沒有真正改變。大量的實(shí)驗(yàn)依靠人力完成。同時(shí)，一種新材料或新藥的研發(fā)從設(shè)計(jì)到上市需要 10 年以上的時(shí)間，花費(fèi)上千萬的費(fèi)用。AI 的發(fā)展，讓大家看到希望 —— 將 AI 應(yīng)用到化學(xué)領(lǐng)域，加速化合物和新材料的發(fā)現(xiàn)。
IBM 歐洲研究中心建立的以 AI 驅(qū)動(dòng)的 RoboRXN 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)成功的案例。這一實(shí)驗(yàn)室融合了云技術(shù)、人工智能和自動(dòng)化高通量實(shí)驗(yàn)工作站，改變了化學(xué)家的工作方式，極大的加速了研發(fā)效率。
科學(xué)家可以登錄網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，繪制他們想要制造的分子化合物框架結(jié)構(gòu)，平臺(tái)使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)預(yù)測(cè)所需的成分以及混合順序和最優(yōu)合成路徑，隨后將指令發(fā)送給遠(yuǎn)程自動(dòng)化高通量實(shí)驗(yàn)工作站執(zhí)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)完成后平臺(tái)就會(huì)將結(jié)果發(fā)送給科學(xué)家。
IBM RoboRXN 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室非常重視實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化。他們與 Chemspeed Technologies 進(jìn)行合作，定制了自動(dòng)化高通量實(shí)驗(yàn)工作站。在 IBM 研究人員看來，數(shù)據(jù)是機(jī)器學(xué)習(xí)模型的核心，自動(dòng)化高通量實(shí)驗(yàn)工作站能夠提供新的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，以便構(gòu)建更好的模型。與此同時(shí)，化合物合成操作由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自動(dòng)化完成，將化學(xué)家從繁瑣重復(fù)的實(shí)驗(yàn)操作中解脫出來，為他們?cè)O(shè)計(jì)和創(chuàng)新留出更多的時(shí)間和空間。
由此可見，AI 需要實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化的協(xié)同。AI 的機(jī)器學(xué)習(xí)過程依賴于數(shù)據(jù)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)速度，自動(dòng)化的連續(xù)操作保證了為后續(xù)分析輸入大量穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，這是數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。如果實(shí)驗(yàn)速度慢，就不足以積累足夠的數(shù)據(jù)用于分析，如果數(shù)據(jù)不可靠，那就是垃圾數(shù)據(jù)，無法用于機(jī)器學(xué)習(xí)和分析。
當(dāng) AI 的種子已經(jīng)撒入化學(xué)這塊土地，它是否能開出鮮艷的花，結(jié)出人類可食用的果實(shí)？在一定程度上取決于實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化技術(shù)。
實(shí)驗(yàn)全流程自動(dòng)化解決方案
IBM RoboRXN 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室所使用的自動(dòng)化高通量實(shí)驗(yàn)工作站，是否適用于分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和革新，答案是肯定的。
Chemspeed 是實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化領(lǐng)域的先行者，已經(jīng)積累了二十多年的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。從粉末分配 – 樣品制備 – 合成 – 工藝開發(fā) – 配方 – 應(yīng)用 – 測(cè)試，為產(chǎn)品開發(fā)周期的每一步提供全自動(dòng)解決方案，適用于化學(xué)、材料科學(xué)、可再生能源和能源、制藥、農(nóng)用化學(xué)品、特種化學(xué)品、家庭護(hù)理、化妝品和營(yíng)養(yǎng)行業(yè)以及學(xué)術(shù)界的整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)流程的集成產(chǎn)品開發(fā)工作。
與其他單一功能自動(dòng)化儀器相比，Chemspeed 采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)研發(fā)需求定制自動(dòng)化解決方案。
不限于市面上的機(jī)械臂抓、舉、移動(dòng)功能，Chemspeed 機(jī)械臂可搭配世界首創(chuàng)全自動(dòng)頂置式稱重加樣技術(shù)，為樣品分配帶來革命性突破。
內(nèi)置頂置式天平，稱重分辨率達(dá) 0.1mg，選配復(fù)核天平，稱重分辨率可達(dá) 0.01mg；支持加樣、稱重、控溫、反應(yīng)或 pH 調(diào)控等同步進(jìn)行；滿足各種形態(tài)的固體物質(zhì)和液體物質(zhì)的分配至任意形狀容器中，如固體 (粉末狀、顆粒狀)、液體 (常規(guī)液體、高粘度液體、膏狀、蠟狀等)。
配套的完整軟件解決方案，可用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) – 執(zhí)行 – 分析 – 報(bào)告，還可對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行集中管理，包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作狀態(tài)，庫(kù)存管理、數(shù)據(jù)信息等。數(shù)字管理，智能運(yùn)行，使工作流程編輯直觀、實(shí)驗(yàn)過程可視，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確完整記錄可追溯，實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告自動(dòng)生成，為 AI 學(xué)習(xí)積累高質(zhì)量完整的數(shù)據(jù)。