Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета в Буффало разработали технологию под названием «Искусственный химик», которая включает в себя искусственный интеллект (ИИ) и автоматизированную систему для выполнения химических реакций для ускорения НИОКР и производства коммерчески желаемых материалов.
В экспериментах с проверкой концепции исследователи продемонстрировали, что искусственный химик может выявлять и производить наилучшие возможные квантовые точки для любого цвета за 15 минут или меньше. Квантовые точки представляют собой коллоидные полупроводниковые нанокристаллы, которые используются в таких приложениях, как светодиодные дисплеи.
Тем не менее, исследователи быстро отмечают, что искусственный химик может определить лучший материал для удовлетворения любого набора измеримых свойств — не только квантовых точек.
«Искусственный химик — это действительно автономная система, которая может разумно перемещаться по химической вселенной», — говорит Милад Аболхасани, соответствующий автор статьи о работе и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в штате Северная Каролина. «В настоящее время искусственный химик разработан для материалов, обработанных раствором — это означает, что он работает для материалов, которые могут быть изготовлены с использованием жидких химических прекурсоров. Материалы, обработанные раствором, включают ценные материалы, такие как квантовые точки, наночастицы металла / оксида металла, органические металлы рамки (MOF) и так далее.
«Искусственный химик похож на автомобиль с автоматическим управлением, но автомобиль с автоматическим управлением, по крайней мере, имеет конечное число маршрутов на выбор, чтобы добраться до заранее выбранного пункта назначения. С помощью Искусственного химика вы даете ему набор требуемые параметры, то есть свойства, которые вы хотите получить в конечном материале. Искусственный химик должен выяснить все остальное, например, какими будут химические прекурсоры и каким будет путь синтеза, при этом сводя к минимуму потребление этих химических прекурсоров.
«Конечным результатом является полностью автономная технология разработки материалов, которая не только помогает вам находить идеальный материал, обработанный решением, быстрее, чем любые используемые в настоящее время методы, но и делает это с использованием крошечных количеств химических прекурсоров. Это значительно сокращает отходы и делает Процесс разработки материалов значительно дешевле ».
У Искусственного Химика есть и «тело» для проведения экспериментов и определения результатов эксперимента, и «мозг» для записи этих данных и их использования для определения того, каким будет следующий эксперимент.
Для проверки концепции в состав тела Artificial Chemist были включены автоматизированная фабрика нанокристаллов и платформы для синтеза потоков NanoRobo, разработанные в лаборатории Аболхасани. Платформа «Искусственный химик» продемонстрировала, что она может проводить 500 экспериментов по синтезу квантовых точек в день, хотя, по оценкам Аболхасани, она может проводить до 1000 человек.
Мозг искусственного химика — это программа ИИ, которая характеризует материалы, синтезируемые организмом, и использует эти данные для принятия автономных решений о том, каким будет следующий набор экспериментальных условий. Он основывает свои решения на том, что он определит, будет наиболее эффективно перемещать его к лучшему составу материала с желаемыми свойствами и показателями производительности.
«Мы пытались имитировать процесс, который люди используют при принятии решений, но более эффективно», — говорит Аболхасани.
Например, «Искусственный химик» допускает «передачу знаний», то есть он хранит данные, сгенерированные из каждого полученного запроса, что ускоряет процесс определения следующего материала-кандидата, с которым он работает. Другими словами, искусственный химик со временем становится умнее и быстрее при выборе нужного материала.
Для подтверждения концепции исследователи проверили девять различных политик того, как ИИ использует данные, чтобы решить, каким будет следующий эксперимент. Затем они выполняли серию запросов, каждый раз запрашивая искусственный химик для определения материала с квантовыми точками, который наилучшим образом подходил для трех различных выходных параметров.
«Мы нашли политику, которая, даже без предварительного знания, могла бы определить наилучшую возможную квантовую точку в течение 25 экспериментов, или около полутора часов», — говорит Аболхасани. «Но как только« Искусственный химик »получил предварительные знания — это означает, что он уже обработал один или несколько целевых запросов материала — он мог определить оптимальный материал для новых свойств за 10–15 минут.
«Мы обнаружили, что искусственный химик также может быстро определить границы свойств материалов для данного набора исходных химических прекурсоров, так что химикам и ученым не нужно тратить свое время на изучение различных условий синтеза.
«Я полагаю, что автономные исследования и разработки в области материалов, обеспечиваемые искусственным химиком, могут изменить будущее разработки и производства материалов», — говорит Аболхасани. «Сейчас я ищу партнеров, которые помогут нам перенести технику из лаборатории в промышленный сектор».
