这个全球首个集阅读文献、设计实验、自主优化、覆盖化学研发全流程的机器化学家平台被形象地称为“机器化学家”。 它由中国科学技术大学化学物理系教授蒋军团队研发。 。 这位能够利用精确智能新范式制造化学品的“机器化学家”是如何“提炼”出来的？ 近日，新京报记者来到中国科学技术大学进行实地探访。

在中国科学技术大学机器人化学家实验室，重达200公斤的机器人“小来”正在有条不紊地穿梭在各种手术台前进行实验。新京报记者 张璐 摄

1400年变成了5周，化学创造周期大大缩短。

化学是一门重要的基础学科。 传统的化学研究范式严重依赖“试错法”，其局限性使得新物质的创造过程漫长且成本高昂。 1998年，诺贝尔化学奖授予两位量子化学家，他们利用量子力学揭示了化学的基本规律，将化学带入了新时代。

蒋军表示，虽然物理化学问题数学求解的基本规则已经明确，但由于真实的化学体系非常复杂，计算能力和人类思维能力有限，理论与实践往往“脱节”。

随着人工智能的快速发展，一种新的研究范式在科研人员的头脑中逐渐清晰。 “如果我们能够将化学知识、物理知识和底层知识数字化、编码和迁移，就有可能形成智能化的新研究范式。” 面对缺乏高质量数据的问题，团队想出了一个新思路——利用理论模拟大数据生成预训练模型，然后依靠应用实践小数据进行修正，建立“一体化”的解决方案。复杂系统的理论与实践”模型。

2014年托盘精细化管理论文，蒋军带领涵盖化学、计算机、数学的跨学科团队提出“机器化学家”的概念——“机器化学家”首先要“能学习”，即模型无目的地学习化学知识。 阅读大量文献； 同时，要“会思考”，即利用底层物理模型进行思考、模拟计算； 最后，你必须“能做到”，即完成实验，实现科学方法的闭环。

大众娱乐蒋军团队历经8年，成功打造出中国科学技术大学机器人化学家“小赖”。 该研究论文去年10月发表在学术期刊《国家科学评论》上。

“现在很流行的是文科生，他们的答案是开放式的，而‘机器化学家’则是理科生，只能通过阅读文献来学习知识并给出正确答案，并且已经被机器实验验证了。” 江君说道。

大众娱乐他以制造“高熵非贵金属制氧催化剂”为例，展示了“机器化学家”的“精准”。 高熵材料具有高混沌、高无序、高复杂性的特点。 它们可以提高能源电池的稳定性，对新能源产业非常重要。 按照以往的方法，科研人员要从29种非贵金属元素中选出5种，进行超过55万种组合。 研究“反复试验”需要1400年。

通过阅读16000篇催化论文，“机器化学家”可以做出“大胆假设”，自主选择5种非贵金属元素，通过精密机器实验“仔细验证”，整合25000组理论计算数据和207套完整使用流程机器实验数据，我们建立并优化了预测模型，将创建周期缩短至5周。

近日，科技部联合国家自然科学基金委启动“人工智能驱动科学研究”（AI for）专项部署，紧密结合数、理、化等基础学科关键问题、天文学等尖端技术研发体系。

“第四次科技革命的驱动力一定是机器智能，而其途径将是AI。” 蒋军表示，中国科大的AI不仅赋予机器人科学思维，还可以将其迁移到广泛的应用领域。 人类化学家的培养需要长期的读书学习、掌握理论、实践操作、思考演绎等科学训练，很难从一个人转移到另一个人。 而“机器化学家”可以进行海量阅读、多维度思考、精准运算、快速迭代。 迁移只需要复制代码，方便“科学家”大规模生产。

他介绍，化学实验指令集和模板库承载了化学思维的大规模迁移，可以辅助半导体器件和芯片、高分子材料等领域的精准创作。

“小来”稳定精准，日可完成2000次操作

机器人化学家实验室的大屏幕上，设定了复杂实验的流程，液体取样站、磁力搅拌站、干燥工作站等工作站像搭积木一样一一连接起来。 机器人化学家“小赖”按照设定的程序，稳稳地来到各个工作站，用机械臂抓取试管，控制不同的实验工作站进行称重、搅拌、离心、干燥液体……

本实验的任务是优化芬顿催化剂配方。 蒋军简单总结了整个过程——“小来”将不同的金属醋酸盐溶液注入瓶中，通过磁力搅拌充分反应，制作出不同配比的芬顿催化剂，并利用荧光光谱测试其催化活性。 每次实验完成后，数据结果将自动存档，积累到一定程度后自动分析。

大众娱乐手动进行单次实验速度比“小来”快，但“小来”的优点是操作精准、误差小。 “人类的双手已经跟不上机器进化的速度，而机器自动化可以实现几乎零故障。” 他说，机器人每天也可以进行2000次不休息的操作，而科研人员每天只能做三四百次。 第二次评价。

实验室里的很多仪器也是专门为“小赖”定制的。

该液体采样器由中国科大自主研发。 蒋军表示，团队之前想购买进口仪器，但公司没有向团队开放API，仪器无法与机器人互联实现智能化。 另外，进口仪器只能进样单通道。 为此，中国科学技术大学自动化系的老师和化学物理系的学生自主研发仪器，利用3D打印建模制作针头，实现了十通道的高精度采样，精度为每个通道为 0.1 mg。 “与市场上的液体采样器相比，采样精度最高，十个通道最多。”

一些化学品的合成需要干燥多余的液体。 然而研究人员发现，机器人的手臂无法将样品架插入干燥机中。 后来大家找到了一个办法，对烘干机进行改造，让它可以像洗碗机一样弹出托盘。

大众娱乐据蒋军介绍，实验还有一步。 “小赖”需要将催化剂滴到测试碳纸上。 复写纸的厚度仅为0.1毫米。 研究人员即使用手抓住它也可能会打破它。 为了让机械臂能够顺利工作，他们采用机械臂结合真空气动吸爪，成功吸起了复写纸。

大众娱乐目前，“小莱”主要在科研人员的监督下运营。 “小来”可以记录操作日志，学习人类的操作逻辑。 与以往不同的是，该机器还可以记录大量失败的实验数据并追溯来源，避免重复试验和错误。 未来，该团队计划建立报警机制和安全系统，以应对可能出现的停水、停电等紧急情况。

大众娱乐值得一提的是，“小赖”不仅不知疲倦，解放了科研人员的双手，而且还足够聪明。 目前已有多家科研机构的工作人员在实验室进行实验。 他们每次做实验都会留下一个模板。 以后会积累越来越多的模板。 学生做实验时只需要调用模板，无需一次次尝试、犯错。 。 未来，机器人还将能够预测实验、独立思考、做出智能决策。

大众娱乐多学科交叉，团队青年学习知识“跨界”

造就“小赖”这样的“机器化学家”并不是一件容易的事。

大众娱乐英国利物浦大学的安德鲁·库珀（ ）曾盛赞“小赖”，称他是一位具有科学思维的“机器化学家”。 2020年，他的团队还研发出了世界上第一台机器人化学实验仪。 “不同和优势在于，我们实现了‘化学大脑’。只有思考，才有远见，只有远见，才能创造出新材料。我们跳出了经验主义的陷阱，实现了闭环智能化。”整个过程。” 江君说道。

大众娱乐为“机器化学家”配备科学思维，得益于中科院的机构优势和中科院的多学科背景。

蒋军坦言，国外科学家也有想法和想法，但彼此之间很难合作，因为大家都非常关心科研隐私，无法共享数据。 中国科学院具有制度化机构的优势。 它可以汇集理论模型、算法软件、机器人、化学数据等方面的专家，共同将这样的想法变成现实。 “我非常感谢中科院，以前我们写申请要写四十、五十页，这次写了两页。我没有提到我们的基础，只说我们多么伟大。”我们的想法是。” 他依靠的是两页纸。 ，申请科研经费2500万元，为科研提供充足保障。

中国科大的交叉培养模式是开创新范式的前提。 蒋军的团队有一大批跨学科背景的“90后”。 有的人设计软件架构，有的人编写程序，有的人专注于电化学测试，还有的人负责干燥仪器、光谱仪等硬件的驱动开发。

赵路远，25岁，博士生，目前在团队中负责操作系统调度算法和化学仪器自动化算法的开发。 “我本科专业是电子科学与技术，这个专业更像是万能药，硬件设计、软件开发、光谱学等领域的知识我都有。” 她说，获得研究生机会后，她加入了蒋军的团队，进行人工智能和分子光谱学的交叉研究。 在她看来，以前学习的知识更多是工程性的，现在重新学习物理化学的底层理论知识是相当有挑战性的。 “但学习了这些理论后，我在开发算法时会有更透彻的理解，各方面的能力也得到了提高。” 推动。”

江君还讲了一个插曲。 最初，为了让机器理解论文，两名学生参与了“标注”工作。 他们利用自己的专业知识，从海量论文中辨别出数据与矿山化学词汇的相关性。 、标签语义，让机器知道每个数据背后的物理意义，训练机器生成自然语言处理模型。

大众娱乐未来化学机器人将被赋予“五种感官”

“机器人化学家”会对化学专业的科研人员产生影响吗？

“在研究初期，有人质疑我，说我在做颠覆性技术，你在颠覆你的同事。其实不是这样的。” 蒋军表示，一个好的工具会带来很多可能性，研究人员会利用它发现更多的理论。 。 他举例说，目前50%的化学能源消耗用于分离和提纯产品。 如果能够精确控制和智能设计，避免副产物和污染的产生，“绿色化学”才能真正实现。 因此，好的工具会让研究人员“越来越忙”。

大众娱乐他认为，未来的化学人才必须具备扎实的基础、掌握专业知识。 另外，还要有开放的心态，敢于学习新知识。

大众娱乐谈到未来的计划，蒋军表示，科研团队将让“小赖”的面部特征看起来像一个真正的化学家。 它可以闻到化学品的气味，看到化学品的颜色，并感知温度和湿度。 和压力。

蒋军表示，他们计划在机器人上安装红外探头和拉曼探头，使其同时具备红外视觉和可见光视觉。 “人眼只能看到粗略的宏观现象，通过光谱，机器人可以清楚地了解微观信息，预测许多金属材料的催化活性。”

大众娱乐目前第一代操作系统支持机器人同时进行三个实验以及设备分时复用。 未来的第二代系统可以同时处理数百个任务。 他描述了未来“机器人化学家”进行密集实验的场景：在高新区的大型实验室里，有的机器人在地面上奔跑，有的漂浮在空中，有的在操作台上忙碌。

更远的未来，数百台机器人平均每天可以完成数百万次操作，数千个化学工作站可以覆盖所有化学功能。 基于这个大平台，可以交换和共享各个研究组的实验数据，产生海量数据，自动提取数字知识图谱和人工智能模型，然后指导机器人自动优化并生产性能更好的化学品或化学品和更高的效率。 新材料。

“那时，我们可以坐在咖啡店里托盘精细化管理论文大众娱乐，在屏幕前指挥机器人帮助我们完成化学研究。” 他表示，该团队的最终目标是有一天培养出富有创造力的“机器化学家”并构建数据和智能。 推动化学研究的新范式。

新京报记者 张璐

陈静编辑、李丽君校对