人和:年輕團(tuán)隊(duì)的助力
和機(jī)器化學(xué)家一樣年輕的,是研發(fā)團(tuán)隊(duì)——其成員以朝氣蓬勃的“90后”“95后”為主。
“這群年輕人做出的東西比我想象的好得多,每一步的研究結(jié)果都超出預(yù)期?!绷_毅說。
例如,在早期的數(shù)據(jù)采集工作中,還是中國(guó)科大少年班學(xué)院本科生的肖恒宇、霍姚遠(yuǎn)、馮超就表現(xiàn)出超強(qiáng)的研發(fā)能力。
剛開始,羅毅、江俊定期開討論會(huì),為學(xué)生們提供指導(dǎo)。但在討論會(huì)上,他倆發(fā)現(xiàn)很多時(shí)候根本插不上話。之后經(jīng)常出現(xiàn)的場(chǎng)面是,學(xué)生熱火朝天地討論,老師在一旁安靜地聽、欣慰地看。
“不得不承認(rèn),信息科學(xué)時(shí)代,年輕人比我們的感覺更敏銳、理解力更強(qiáng),他們的思維方式早就‘?dāng)?shù)字化’了?!庇谑?,羅毅與江俊達(dá)成一致——把最重要、最困難的事情交給年輕人去做。
結(jié)果證明,他們的決定是對(duì)的。
在機(jī)器化學(xué)家創(chuàng)建中,除了搭建數(shù)據(jù)庫(kù)外,肖恒宇還自學(xué)計(jì)算機(jī)軟件,開發(fā)出操作系統(tǒng)1.0版本。該操作系統(tǒng)既符合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作習(xí)慣,又能發(fā)揮機(jī)器人的自動(dòng)化優(yōu)勢(shì),還能嵌入智能模型。
近期,肖恒宇又將操作系統(tǒng)升級(jí)到2.0版本,實(shí)現(xiàn)了硬件即插即用、模型普適遷移和操作云端共享。
專業(yè)工程師看了該架構(gòu)都驚嘆不已:“類似的框架只在西門子智能實(shí)驗(yàn)室看到過,只有經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師團(tuán)隊(duì)花費(fèi)很高成本才能開發(fā)出來。”
人工智能領(lǐng)域有一句話:有多少智能,背后就有多少人工。
培育“化學(xué)大腦”最重要的是賦予計(jì)算機(jī)理解物質(zhì)的能力。當(dāng)時(shí),正在讀碩士研究生的張百成,沒日沒夜地標(biāo)注了幾個(gè)星期,文獻(xiàn)讀得頭昏腦漲,但完成的工作量微乎其微。
后來他改變“打法”,找了多位有專業(yè)背景的同學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)。他們一起構(gòu)建化學(xué)詞典、整理反應(yīng)數(shù)據(jù),很快設(shè)計(jì)出第一代文獻(xiàn)閱讀系統(tǒng),得到了第一批高質(zhì)量的標(biāo)記數(shù)據(jù)。
“95后”趙路遠(yuǎn)結(jié)合本科學(xué)的電子工程知識(shí),主攻化學(xué)工作站改造。她記得,與師弟曹嘉祺一起編寫固體進(jìn)樣儀器的驅(qū)動(dòng)程序時(shí),由于信息掌握不充分,無法準(zhǔn)確理解并調(diào)用儀器接口。他們多次咨詢國(guó)外廠商和代理商,得到的回應(yīng)都是“無可奉告”“商業(yè)機(jī)密”。
“后來,我們花了3個(gè)星期,重復(fù)做了3000次發(fā)送信號(hào)、等待反饋和記錄響應(yīng)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。”趙路遠(yuǎn)說,國(guó)外廠商反過來主動(dòng)聯(lián)系他們,想購(gòu)買他們研發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序。
類似這樣的事,在機(jī)器化學(xué)家項(xiàng)目攻關(guān)中并不鮮見。
令江俊欣慰的是,這群年輕人從不以專業(yè)限制自己,而是主動(dòng)學(xué)習(xí)、迎難而上,想方設(shè)法解決問題。
眼下,這群學(xué)生已成為實(shí)驗(yàn)室的骨干,各有各的絕活兒。其中,肖恒宇正在設(shè)計(jì)集中式大規(guī)模機(jī)器科學(xué)家平臺(tái),張百成在賦予機(jī)器人譜學(xué)智能,趙路遠(yuǎn)在探索適配產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的化學(xué)工作站。
表現(xiàn):科研能力超強(qiáng)
數(shù)千年來,人類在化學(xué)領(lǐng)域不斷解鎖物質(zhì)世界的奧秘,制造出許多令人驚嘆的物品和材料。
然而,化學(xué)又是一門需要一點(diǎn)“運(yùn)氣”的學(xué)科。能產(chǎn)生反應(yīng)的物質(zhì)有很多,不同的量會(huì)帶來不同的結(jié)果。更關(guān)鍵的是,反應(yīng)釜完全是個(gè)“黑箱”,里面會(huì)發(fā)生什么、過程如何,在很多情況下是無法計(jì)算和計(jì)量的。
因此,在化學(xué)領(lǐng)域總有一些“無心插柳”的成果,也有一些“徒勞無功”的無奈。得到想要的結(jié)果,可能需要很長(zhǎng)的時(shí)間。
機(jī)器化學(xué)家的誕生有望改變這一狀況。
江俊介紹,機(jī)器化學(xué)家通過機(jī)器人精準(zhǔn)的自動(dòng)化操作能力,可以“不知疲倦”地執(zhí)行任務(wù)。與此同時(shí),“化學(xué)大腦”同步進(jìn)行量子化學(xué)仿真模擬,再融合理論大數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)小數(shù)據(jù)產(chǎn)生具有預(yù)測(cè)能力的人工智能模型,最終得到算法預(yù)測(cè)、驗(yàn)證全局最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)配方。
正是這種理實(shí)交融的研究范式,能夠從數(shù)百萬種可能的配方中迅速識(shí)別最佳組合,極大加速了新物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)過程。
江俊以創(chuàng)制“高熵非貴金屬產(chǎn)氧催化劑”為例,展示機(jī)器化學(xué)家的超強(qiáng)能力。
高熵材料具有高混亂、高無序、高復(fù)雜度的特點(diǎn),能提高能源電池的穩(wěn)定性,對(duì)新能源發(fā)展非常重要。如果按照以往的方法,科研人員要從29種非貴金屬元素中選出5種進(jìn)行超過55萬種配比組合,“試錯(cuò)”研究可能需要1400年。
而機(jī)器化學(xué)家通過閱讀1.6萬篇催化論文,自主遴選出5種非貴金屬元素,并融合2.5萬組理論計(jì)算數(shù)據(jù)和207組全流程機(jī)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立并優(yōu)化預(yù)測(cè)模型,將創(chuàng)制周期縮短為5個(gè)星期。
體現(xiàn)機(jī)器化學(xué)家強(qiáng)大科研能力的,還有一項(xiàng)基于火星隕石的催化劑研究。
一直以來,火星移民是人類的夢(mèng)想。實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想,首先要解決火星大氣中氧氣缺乏的難題。
就在前不久,機(jī)器化學(xué)家利用火星隕石成功創(chuàng)制出實(shí)用的產(chǎn)氧電催化劑。該成果在《自然-合成》發(fā)表后,引發(fā)了很大反響?!蹲匀弧肪W(wǎng)站相關(guān)文章認(rèn)為,此項(xiàng)研究“為火星探測(cè)和地外文明探索提供了新的技術(shù)手段”。
江俊介紹,如果用人工方式做實(shí)驗(yàn),以5種不同的火星礦石作為原料,有超過376萬個(gè)配方的排列組合。按每個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證至少5小時(shí)計(jì)算,找到最佳配方可能需要2000年。而機(jī)器化學(xué)家只用了5個(gè)星期就做完了實(shí)驗(yàn)。給出的優(yōu)化后催化劑配方,可以提供足夠的氧氣。
江俊等人親切地把機(jī)器化學(xué)家命名為“小來”,意味著開啟未來物質(zhì)科學(xué)探索的新紀(jì)元。它與人類智慧的結(jié)合將創(chuàng)建物質(zhì)科學(xué)全新的可能,引領(lǐng)人類在星辰大海中不斷拓寬知識(shí)的邊界。
江俊在機(jī)器化學(xué)家實(shí)驗(yàn)室里調(diào)試操作指令。張大崗 攝
目標(biāo):數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動(dòng)的化學(xué)研究新范式
放眼全球,在機(jī)器化學(xué)家領(lǐng)域,目前只有英國(guó)格拉斯哥大學(xué)和中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化文獻(xiàn)閱讀功能、英國(guó)利物浦大學(xué)和中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人可移動(dòng)性。最為重要的是,國(guó)外同行研發(fā)的同類產(chǎn)品均未實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)調(diào)研、合成、表征、測(cè)試、數(shù)據(jù)處理全流程,可進(jìn)行的研究類型較為單一,離智能化尚有差距。
“這說明我國(guó)的機(jī)器化學(xué)家研發(fā)與國(guó)際同行處于并跑階段,并在某些方面具有領(lǐng)跑優(yōu)勢(shì),發(fā)展?jié)摿薮??!苯≌f。
從機(jī)器化學(xué)家的成功經(jīng)驗(yàn)看,羅毅認(rèn)為,未來可以將科學(xué)工程化,把優(yōu)秀科研人員聚集在一起,以機(jī)器為載體,以數(shù)據(jù)為要素,做有組織的科研。
羅毅表示,他們的目標(biāo)是迅速擴(kuò)大機(jī)器化學(xué)家這一技術(shù)平臺(tái)的規(guī)模,增強(qiáng)其能力,建成世界上最好的“化學(xué)醫(yī)院”。
“我們希望可以擴(kuò)大平臺(tái)規(guī)模、多地聯(lián)動(dòng),建成不同形態(tài)的智能機(jī)器人,比如天上飛的、地上跑的、桌面微操作的機(jī)器人,日均完成萬次以上化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作,滿足航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、材料科學(xué)、化工原料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的研發(fā)需求。”
目前,研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在賦予機(jī)器人對(duì)化學(xué)過程的感知、預(yù)判能力?!氨热纾x予機(jī)器人譜學(xué)智能。以前是訓(xùn)練機(jī)器人如何做實(shí)驗(yàn),現(xiàn)在希望機(jī)器人通過譜學(xué)智能直接看到微觀世界的變化,這樣就能夠更快地預(yù)判化學(xué)變化,超越人對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。”羅毅說。
羅毅期待更多科研人員將重要的科學(xué)問題放到機(jī)器化學(xué)家這個(gè)平臺(tái)上,以提高科研效率、產(chǎn)出更多新成果。
“我們處在一個(gè)技術(shù)快速迭代的時(shí)代,要主動(dòng)擁抱新技術(shù),以積極開放的心態(tài)迎接世界的變化?!绷_毅這樣闡述團(tuán)隊(duì)的終極目標(biāo):創(chuàng)造出具備創(chuàng)造力的智能化學(xué)家,及早形成數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動(dòng)的化學(xué)研究新范式。(記者王敏)
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