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有机化合物合成的自动化对于加速此类化合物的开发至关重要。此外,通过将自主功能与自动化相结合,可以提高开发效率。
为了实现这一目标,三星电子(Samsung Electronics Co. Ltd)的科学家开发了一种自主合成机器人,被命名为「Synbot」,它利用人工智能 (AI) 和机器人技术的力量来建立最佳的合成配方。
给定目标分子,人工智能首先规划合成途径并定义反应条件。然后,它利用实验机器人的反馈迭代地完善这些计划,逐渐优化配方。通过成功确定三种有机化合物的合成配方,验证了系统性能,其转化率优于现有参考。
值得注意的是,这个自主系统是围绕间歇式反应器(Batch reactor)设计的,使得化学家在标准实验室环境中可以使用它并且有价值,从而简化研究工作。
该研究以《AI-driven robotic chemist for autonomous synthesis of organic molecules》为题,发表在《Science Advances》上。
机器人化学与间歇式反应器
功能有机材料的发现导致了各种电子设备的有机对应物的出现,例如发光二极管、互补金属氧化物半导体图像传感器和太阳能电池,而提高其性能的挑战仍然存在。
传统上,依赖于耗时且低效的试错方法,涉及分子设计、合成和表征过程的重复循环。因此,几十年来人们一直致力于创新这种方法。
人工智能技术的进步,加上大规模数据集的出现,催生了机器人化学家的概念。人工智能充当认知大脑,机器人充当物理身体,从而实现自主化学研究。
批式反应器(Batch Reactor)又名间歇反应器。此类型反应器的操作方式顾名思义就是以批次为单位,将反应原料分批次加入反应器中进行反应,待反应完成或是到到达预定时间,得到所需的转化率后,停止反应,同时将所有产品取出,并在下一批次操作前,视情况将反应器的内部进行清理,即完成这一批次的操作流程。
尽管间歇式合成占地面积较大且成本较高,但由于其作为大规模生产和开发中的标准方案的地位,对于化学家来说仍然实用。虽然已经有一些生物应用实例,但通过集成各种硬件和软件组件构建间歇式自动化系统非常复杂,导致研究数量有限且能力有限。
合成机器人:AI 驱动的机器人化学家
为了追求一个多功能、智能的分子合成平台,该研究引入了人工智能驱动的机器人化学家,能够自主执行从合成规划到在间歇式反应器中进行的实验等任务,充分利用人工智能和机器人的协作潜力。
图 1:人工智能驱动的机器人化学家 (Synbot)。(来源:论文)
成功确定三种有机化合物的合成配方
图示:验证 Synbot 再现性的实验。(来源:论文)
图示:M1 的自主合成。(来源:论文)
图示:M2 的自主合成。(来源:论文)
图示:M3 的自主合成。(来源:论文)
论文链接:https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adj0461