以高通量技術(shù)打開新型材料合成新領(lǐng)域
中國作為全球最大的材料制造及消費國之一，對新型材料的需求具有強勁的增長潛力。據(jù)工信部數(shù)據(jù)預測，2025 年中國新材料產(chǎn)業(yè)將達到 10 萬億市場規(guī)模，復合增長率達 13.5%，到 2035 年我國新材料產(chǎn)業(yè)的總體實力將躍居全球前列。面對市場的現(xiàn)況，材料企業(yè)應積極以創(chuàng)新的自動化、智能化研發(fā)科技及高通量技術(shù)，取代傳統(tǒng)成本高、時間長、風險大的?“炒菜式” 研發(fā)模式。
在傳統(tǒng)的材料科學領(lǐng)域上，研發(fā)人員一直依賴反復試驗的方法或者憑運氣偶然地發(fā)現(xiàn)新材料，但隨著新一代信息技術(shù)、高端的自動化裝備制造等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展和材料基礎(chǔ)研究及技術(shù)創(chuàng)新的穩(wěn)步推進，AI (智能化)?材料科學領(lǐng)域獲得了發(fā)展動力。[1]
為了讓大家對新一代的材料開發(fā)有更進一步的認識，在這里會分享多倫多大學 Alán Aspuru-Guzik 教授如何通過將理論計算、機器學習和 Chemspeed 自動化工作流程解決方案相結(jié)合，突破了自主實驗室工作的界限。
Chemspeed 助力實驗室自動材料合成
加速產(chǎn)品研發(fā)
由多倫多大學化學和計算機科學教授 Alán Aspuru-Guzik 領(lǐng)頭的?“AI for Discovery and Self-Driving Labs”?研究小組，致力于開發(fā)自我驅(qū)動的實驗室，并提出將人工智能與自動化機器人平臺相結(jié)合，以高通量的形式，自主發(fā)現(xiàn)新材料，目標是將發(fā)現(xiàn)新功能材料或優(yōu)化已知功能材料所需的時間和花費縮小 10 倍，即從估計的 1000 萬美元和 10 年的開發(fā)時間減少到 100 萬美元和 1 年。
為了達到這個目標，小組成員在多個領(lǐng)域內(nèi)進行了探索，發(fā)現(xiàn)機器人平臺智能化和自動化合成是這個領(lǐng)域中的重要環(huán)節(jié)。在 Alán 的實驗室里，他選用了 Chemspeed 的自動化機器人平臺，通過計算模擬和機器學習來進行預測，并挖掘邊界條件等信息來獲取合適范圍內(nèi)的分子，更借此進行高通量的樣品制備、合成、工藝開發(fā)、配方、應用或測試，加速產(chǎn)品的研發(fā)周期。
通過?Chemspeed?高通量的快速合成、制備平臺，加上軟件系統(tǒng)支持離線樣品制備任務，滿足無人值守條件，并能夠快速執(zhí)行、監(jiān)控、遠程控制、自動記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息化管理。在與其他智能化技術(shù)相結(jié)合之后，Alán 的實驗室在無人監(jiān)督的情況下完全自主地運行，短短幾天內(nèi)便完成了共?1100?個實驗，獲得了大量數(shù)據(jù)用后續(xù)的機器學習過程，這為團隊的開發(fā)和創(chuàng)新打下了十分良好的基礎(chǔ)。
除了專注于實驗室，Alán Aspuru-Guzik 也在產(chǎn)業(yè)界積極開拓。他領(lǐng)導的加速聯(lián)盟 (The Acceleration Consortium, AC) 是學術(shù)界、工業(yè)界和政府之間的一項新的全球性合作，總部同樣位于多倫多大學，屬于全球材料科學創(chuàng)新中心。它利用人工智能和機器人技術(shù)來加速設計和發(fā)現(xiàn)尚未存在的材料，使材料變得更先進和更環(huán)保。
AC 同時擁有強大科研團隊，分別有來自多倫多大學和世界各地的 50 多名頂尖研究人員，目前合作伙伴更包括: Chemspeed Technologies、CIFAR、Creative Destruction Lab、加拿大國家研究院?(National Research Council of Canada)、加拿大自然資源 (Natural Resources Canada)、SLAS 和 Vector Institute 等，共同推動高端與 AI 材料科學創(chuàng)新及應用。
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在 2019 年，Alán Aspuru-Guzik 成功成在 UBC (不列顛哥倫比亞大學) 引入 Chemspeed 自動化平臺，用于高通量化合物合過程，并通過半制備柱過濾, 以獲得足夠純度的化合物。在 Chemspeed 平臺上可以自動化進行固體分配和液體分配，并同時完成 16 個條件獨立控制的 Suzuki 偶合反應，該反應在加熱和渦流混合條件下持續(xù)運作 16 小時左右，配合軟件協(xié)調(diào)過程及獲取數(shù)據(jù)，最終完成目標。
延伸閱讀
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高通量篩選及合成技術(shù)是目前新型材料領(lǐng)域研究的重要課題。隨著科技的不斷進步，自動化與智能化設備的加入，使得高通量篩選技術(shù)在新型材料研發(fā)中開拓出更廣闊的空間。除了 Alán Aspuru-Guzik 教授與他的研發(fā)團隊，力揚也攜手 Chemspeed 乘著自動化的東風，憑借在化學自動化研發(fā)領(lǐng)域超過 20 年的專業(yè)經(jīng)驗，助力中國新型材料研發(fā)?“破冰突圍”。
參考資料
信息來源:
[1]: 億歐智庫, 中國AI+材料科學產(chǎn)業(yè)應用研究報告_人工智能行業(yè)研究報告
圖源: 騰訊網(wǎng)
https://new.qq.com/omn/20210529/20210529A0AXBB00.html