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日前，中國科學技術大學的科學家們利用火星隕石成功創制出實用的產氧電催化劑。這個成果最特殊的地方在于，所有實驗都是由機器來執行的——科學家們建立了龐大的數據庫，開發自主知識產權機器指令集源代碼，打造出世界上最先進的智能機器化學家，通過人工智能驅動機器人實驗，解決了復雜優化難題，在兩個月內就取得了實驗成功，獲得了預期效果——

智能機器化學家“小來”，來了！

▲智能機器化學家“小來”。

建立化學研究智能新范式

數千年來，人類在化學領域不斷解鎖物質世界的奧秘。從對微觀世界原子和分子的深入研究，再到對電子和原子核的探索，我們制造出許多令人驚嘆的物品和材料。這些不懈努力使人類擁有了藥物、塑料、電池、化肥等各類化學品。

化學學科發展經歷漫長歷程，古代從實踐中獲得基礎知識，煉金術時代追求黃金合成，17-18世紀化學革命催生氧氣、元素概念，19世紀有機化學崛起，休克爾提出結構理論，20世紀涌現量子化學、生物化學。當代，化學涉足納米、環境、材料等多個領域，成為解決全球性問題的關鍵科學。

但化學又是個需要一點運氣的學科——能產生反應的物質有很多，不同的量會帶來不同的結果，更關鍵的是，反應釜完全是個“黑箱”，里面會發生什么，過程如何，在很多情況下是無法計算和計量的。因此，化學領域總有很多“無心插柳”的成果，也有很多“白發嘆息”的無奈，要想得到想要的結果，可能需要很長時間。

21世紀飛速發展的人工智能和大數據技術，有望為化學這一古老學科賦予更多的可能性，為化學研究領域帶來前所未有的革新與挑戰。

我們團隊歷時9年，利用人類幾千年積累的化學經驗和知識，建立了龐大的數據庫，自主開發了高效科研機器人指令集，打造出世界上最先進的智能機器化學家。通過人工智能驅動機器人實驗，以智能新范式在兩個月內破解了人類實驗需要兩千年的復雜優化難題——利用火星隕石成功創制出實用的產氧電催化劑，這一成果發表在國際學術期刊《自然-合成》上。自然新聞（NatureNews）專門采訪美國航空航天局的火星資源利用計劃并比照各自優勢，認為我們為火星探測和地外文明探索提供了新的技術手段。

團隊把這個智能機器化學家命名為“小來”，標示著未來物質科學探索的新紀元。它與人類智慧的結合將開啟物質科學全新的可能性，引領人類在星辰大海中不斷追尋知識的邊界。

智能機器化學家“小來”，來了！

▲智能機器化學家“小來”。

“小來”的誕生

“小來”的誕生凝結了研究團隊老中青三代研究者的智慧。

中國科學技術大學教授、中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心主任羅毅，在譜學方面見解獨到。他帶領團隊對重要元素與化合物進行深入的譜學研究，用智能化的現代科學技術手段，建立起一套相對精細完整的譜學智能模型，使得“小來”具備了精準的譜學探測與解析功能，擁有了犀利的“感官”，得以在未知場景下探尋深層物質結構。

譜學讓物質感知成為可能，而如何真正實現對物質的深層次理解則成為新的挑戰。筆者帶領團隊建立起包含各種物質和材料的科學大數據庫，結合現代日新月異的科技手段，把過去、現在和未來的知識串聯起來。歷時9年，我們搭建了中國人自己的材料大數據庫，發展譜學智能模型算法，深度探索物質世界的“譜-構-效”關系。

盡管團隊匯集了一批物質科學領域最優秀的科學家和研究生，這條路也并非一帆風順。為了培育“小來”的“化學大腦”，使其實現對物質的真正理解，首先要讓“小來”能夠自主閱讀人類文獻資料獲取知識，這需要對海量文本數據做人工標注。“小來”擁有的千萬條有效標注的數據，是全校上百名同學接力完成的。這些最優秀學子默默承擔起枯燥煩瑣的重復勞動，才最終使得“小來”能夠快速閱讀并分析文獻資料，從前人寶貴的知識中汲取充足的養分，不斷進化“化學大腦”，產生化學智能并理解物質的真正含義。

擁有了犀利的“感官”和“化學大腦”，如何驅動“小來”實現更快速、準確的實驗設計和操作分析，協助人類科學家更高效地解鎖物質世界的奧秘呢？

團隊里的年輕人挑起大梁。他們夜以繼日，機械設計、程序編寫、材料選配、設備定制、工藝整合、軟硬件系統集成等，花費大量時間摸索并尋求解決方案。擁有“化學大腦”的“小來”要想進一步升級迭代和完成各種實驗操作，需要和所有其他最先進的化學實驗設備兼容適配。移動機器人和智能化學工作站的聯動需要全方位整合設計工藝流程，極其復雜煩瑣。最開始調試整合時，儀器設備不配合響應，同學們連續3個星期在實驗室里，不斷重復發送信號、等待反饋、記錄響應的動作。3000多次的重復，一點一點地逆向試出了底層控制邏輯。他們編寫的驅動程序成功對多類科學儀器實現了遠程控制，后來知名設備廠商主動聯系團隊希望購買該類程序。

在無數次通宵達旦的工作后，融合化學“大腦”，集成2臺移動機器人、19個智能化學工作站和高通量計算系統，覆蓋科學研究方法論全流程的機器化學家平臺誕生，“小來”終成完全體。

化學家的好“助手”

機器化學家并非可完全取代人類科學家，而是與我們協同工作的重要伙伴。

團隊的實驗科學家朱青首先感受到“小來”的強大之處，在“小來”的協助下，短短5周內就開發出原本通過實驗試錯需要1400年才能成功的高熵催化劑。他說：“以前做實驗要沒日沒夜在實驗室盯著反應，反復嘗試，而現在只需要坐在電腦屏幕前，輸入研究目標參數，‘小來’便可自主閱讀文獻并提出實驗方案，自動執行計算-合成-表征-測試的全流程，總結規律并給出精準預測，最終解決問題。這已經改變了實驗科學的傳統試錯研究范式！”

在火星隕石的實驗中，“小來”利用火星隕石創制產氧催化劑的成功也讓深空探測實驗室的研究員們眼前一亮。深空探測實驗室的使命是支撐我國探月工程四期和行星探測工程任務，而“小來”為克服未來星際任務中便攜制氧和資源原位利用難題探索出新路線。

如果用人工方式來做實驗，以五種不同的火星礦石作為原料，按照常規以1%間隔的整數百分比組合估計，有超過376萬個配方的排列組合，按每個實驗驗證至少5小時計算，找到最佳配方需要2000年。而“小來”只用了5個星期就做完了實驗。給出的優化后的催化劑配方，可以提供足夠的氧氣。同時“小來”可以替代人類進入各種惡劣環境，有望成為人類在外星球建立定居點的先頭部隊。

英國皇家科學院Andy Cooper院士在評價“小來”的工作時表示：“人工智能賦能材料合成是一個具有前景的創新領域，極有可能廣泛應用到所有類型的化學研究中。”

自誕生起就吸引全球研究者目光的“小來”還在以不可思議的速度成長進化。羅毅暢想：“利用機器化學家平臺，我們致力于建立超大規模譜學大模型，發展基于譜學的通用化學智能，打造真正的最強化學大腦。”

在不遠的將來，機器化學家平臺有望成百上千倍地擴大規模，多地聯動，實現多種不同形態的智能機器人協同操作多種功能的智能化學工作站，日均完成萬次以上化學實驗操作，應對日益復雜和深入的科學問題，滿足航空航天、醫療衛生、材料科學、化工原料、生物醫藥等領域的研發需求。

作者江俊，系中國科學技術大學教授

來源：光明日報（2023-12-31?06版）

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