Nature論文｜AI加速合成新材料，自動化實(shí)驗(yàn)室是首選解決方案
更新時(shí)間：2024-07-26瀏覽：2409次
2023 年 11 月 29 日，Nature 在線發(fā)表了加州大學(xué)伯克利分校 Gerbrand Ceder 和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室 Yan Zeng 課題組的研究論文，題目為《An autonomous laboratory for the accelerated synthesis of novel materials》。
在此研究中，為了縮小新材料的計(jì)算篩選和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)之間的差距，作者引入了 A-Lab，這是一個(gè)用于無機(jī)粉末固態(tài)合成的自主實(shí)驗(yàn)室。該平臺使用計(jì)算、文獻(xiàn)中的歷史數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和主動學(xué)習(xí)來規(guī)劃和解釋使用機(jī)器人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在 17 天的連續(xù)運(yùn)行中，A-Lab 從一組 58 種目標(biāo)中實(shí)現(xiàn)了 41 種新的化合物，包括各種氧化物和磷酸鹽，這些化合物是通過使用 Materials Project 和 Google DeepMind 的大規(guī)模從頭算相穩(wěn)定數(shù)據(jù)鑒定的。合成配方是由在文獻(xiàn)上訓(xùn)練的自然語言模型提出的，并使用基于熱力學(xué)的主動學(xué)習(xí)方法進(jìn)行優(yōu)化。對合成失敗的分析為改進(jìn)現(xiàn)有材料篩選和合成設(shè)計(jì)技術(shù)提供了直接可行的建議。高成功率證明了人工智能驅(qū)動平臺在自主材料發(fā)現(xiàn)方面的有效性，并推動了計(jì)算、歷史知識和機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步集成。（文章摘要）A-Lab 的成功為未來實(shí)驗(yàn)室提供了一個(gè)新模式：將人工智能和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合。這種模式不僅提高了新材料的發(fā)現(xiàn)速度，還能為研究人員提供有關(guān)材料合成可能性的寶貴數(shù)據(jù)庫。在智能化的實(shí)驗(yàn)室中，機(jī)器人幫助研究人員做大量的數(shù)據(jù)檢索、實(shí)驗(yàn)預(yù)測和驗(yàn)證工作，研究人員能夠更高效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析，大幅縮短研究周期。未來，人工智能和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合將更加緊密，“AI + Automation” 的自動化實(shí)驗(yàn)室將在各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中涌現(xiàn)，賦能各行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
AI+Automation 加速新材料研發(fā)
成功的經(jīng)驗(yàn)往往是相似的，晶泰科技的智慧實(shí)驗(yàn)室一站式建設(shè)服務(wù)和 A-Lab 工作的底層邏輯有著異曲同工之妙。人工智能、機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭驯粡V泛接受和形成共識，在新材料領(lǐng)域，這些 “高大上” 的技術(shù)能幫我們解決什么問題呢？讓我們一起來感受下 “AI+Automation” 帶來的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降母淖儭?/span>
新材料的研發(fā)非常困難。傳統(tǒng)材料實(shí)驗(yàn)方法基本是以經(jīng)驗(yàn)、理論為基礎(chǔ)的 “試錯(cuò)法”。其過程為：基于理論知識或經(jīng)驗(yàn)→預(yù)測目標(biāo)材料化學(xué)成分、物理狀態(tài)→目標(biāo)材料配比→制備→分析性能表征→根據(jù)結(jié)果調(diào)整配比→獲得滿足需求的材料。可見，新材料發(fā)現(xiàn)、開發(fā)和應(yīng)用依賴經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試錯(cuò)，具有不可預(yù)知的偶發(fā)性，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本不可控。從發(fā)明到應(yīng)用極其緩慢，制約了技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
隨著人工智能和自動化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng) “試錯(cuò)” 的材料研發(fā)模式正逐步轉(zhuǎn)變?yōu)?“AI+Automation” 的高通量精準(zhǔn)研發(fā)模式。晶泰科技成立以來，一直專注在為藥物研發(fā)做新分子的設(shè)計(jì)、合成及測試，但我們的底層技術(shù)遷移性很強(qiáng)，歸根結(jié)底，我們是在設(shè)計(jì)新的功能材料。自 2022 年晶泰科技對外公布實(shí)驗(yàn)室自動化業(yè)務(wù)以來，我們的 “底層技術(shù)儲備” 已在自動化化學(xué)合成等場景中成熟應(yīng)用。● 自動化固體加樣技術(shù)
新材料研發(fā)過程中，“目標(biāo)材料的配比” 需要大量的 “固體投料稱量” 操作，自動化固體投料技術(shù)一直是實(shí)驗(yàn)室自動化技術(shù)中的一大挑戰(zhàn)。晶泰科技自主研發(fā)的全自動智能加粉模塊， 根據(jù)客戶不同需求， 覆蓋吸潮結(jié)塊、較大顆粒、蓬松、靜電、有粘性流動性差等各種復(fù)雜性質(zhì)粉末的投料，投料體積范圍：1mg-20g; 投料的分辨率達(dá)到 0.1mg。“液體投料” 也是新材料合成環(huán)節(jié)中的常見操作，晶泰科技自研出不同種類的精密定量移液，優(yōu)質(zhì)特種工程材料應(yīng)用，解決化學(xué)合成加液過程中耐腐蝕的問題， 通過機(jī)器人系統(tǒng)的智能力反饋及壓力探測技術(shù)，使得移液具有更高的移液精度及更小的試劑殘留量；5ML 的大體積的空氣置換移液泵（ADP）極大的提高了液體轉(zhuǎn)移效率；多通道的的針泵模塊實(shí)現(xiàn)了大體積的液體持續(xù)轉(zhuǎn)移。● 功能模塊集成&儀器設(shè)備串聯(lián)技術(shù)高通量反應(yīng)及過程監(jiān)測： 晶泰科技自研出多種全自動控溫磁力攪拌模塊，將其溫控與磁力攪拌一體化， 溫控采用多加熱及制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫控范：-20℃-150℃；每個(gè)模塊都有獨(dú)立的控制及通訊功能，在整個(gè)反應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)溫度及轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)程設(shè)置和過程實(shí)時(shí)監(jiān)測。柔性拓展能力: 晶泰科技根據(jù)客戶不同的應(yīng)用場景， 采用不同的機(jī)器人系統(tǒng)做不同規(guī)模的自動化集成， 站內(nèi)的六軸機(jī)器人系統(tǒng)及四軸機(jī)器人系統(tǒng)可以完成設(shè)備內(nèi)部或者工作島的多種模塊的自動化模塊集成 。可移動協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)（機(jī)器人+MIR 小車）及協(xié)作機(jī)器人+地軌系統(tǒng)可以完成大規(guī)模多個(gè)設(shè)備（工站）的實(shí)驗(yàn)室自動化系統(tǒng)。
AI幫助探索更廣闊的化學(xué)空間
在當(dāng)前云計(jì)算已經(jīng)非常成熟的情況下，算力已經(jīng)不再是一個(gè)問題。然而，材料合成仍然受到合成路徑復(fù)雜度和缺乏數(shù)據(jù)集等因素的限制，目前尚未有清晰的化學(xué)合成路徑預(yù)測機(jī)制。突破這個(gè)瓶頸的關(guān)鍵是擁有 “數(shù)量足夠多、質(zhì)量足夠好” 的數(shù)據(jù)，以支持 AI 模型的深度學(xué)習(xí)和迭代算法，這是我們可以摘到材料研究 “高懸果實(shí)” 的云梯。
那AI技術(shù)可以幫助新材料研究做什么呢？以晶泰科技為客戶提供的 ”自動化功能材料研發(fā)實(shí)驗(yàn)室” 為例，我們使用高精度的計(jì)算模擬方法，對材料的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，并使用大量模擬數(shù)據(jù)構(gòu)建基礎(chǔ)的 AI 模型，結(jié)合真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到精修的 AI 模型，以此實(shí)現(xiàn)預(yù)期性質(zhì)材料的智能設(shè)計(jì)。而后自動化工作站對材料進(jìn)行合成與表征，收集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化模型，從而加速設(shè)計(jì)、合成、分析、測試 DMTA 循環(huán)，這也是加速新材料發(fā)現(xiàn)的技術(shù)邏輯。
晶泰科技智慧實(shí)驗(yàn)室一站式服務(wù)
晶泰科技將預(yù)測算法與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，充分發(fā)揮大規(guī)模云計(jì)算為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)及服務(wù)平臺的優(yōu)勢，構(gòu)建了智能化和自動化程度都顯著提高的 “高通量多實(shí)驗(yàn)” 自動化實(shí)驗(yàn)室集群平臺。晶泰科技可提供包含自動化設(shè)備采購與特定應(yīng)用自動化機(jī)器人定制開發(fā)、數(shù)字化與智能化軟件系統(tǒng)以及 實(shí)驗(yàn)室升級改造的一站式服務(wù)。
晶泰科技的實(shí)驗(yàn)室智能化自動化解決方案，應(yīng)用于石油化工、新能源、新材料、生物醫(yī)藥等行業(yè)。我們提供的自動化產(chǎn)品與服務(wù)包含：智慧實(shí)驗(yàn)室一站式建設(shè)服務(wù)、機(jī)器人工作站等，已為客戶落地構(gòu)建了藥物研發(fā)智慧實(shí)驗(yàn)室、催化劑研究智慧實(shí)驗(yàn)室、無機(jī)材料研究智慧實(shí)驗(yàn)室以及電解液配方研究智慧實(shí)驗(yàn)室等，特定自動化應(yīng)用場景的機(jī)器人工作站包含 XmartChem® 智能合成工作站、XtalComplete® 智能結(jié)晶工作站、ChemPlus® 桌面型固體加樣儀。
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