近年來,，新一代人工智能技術(shù)蓬勃發(fā)展,，推動科研范式變革。一批科技工作者面向世界科技前沿,，探索建立化學(xué)研究的精準(zhǔn)化,、智能化雙驅(qū)動模式,，并率先在機器化學(xué)家、離子膜,、固態(tài)電解質(zhì)等領(lǐng)域取得創(chuàng)新和突破,。

　　形成全新研究范式

　　“我們希望有一個機器人可以代替人做實驗?！敝锌圃壕珳?zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室主任李震宇告訴記者,。如今，這個想法已經(jīng)變成現(xiàn)實,。在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)機器化學(xué)家實驗室,，重達200公斤的機器人“小來”取代了身穿白大褂的人類實驗員，伸出機械臂就可精確抓取樣品瓶配制試劑,，完成各種實驗工作,。

　　集閱讀文獻、自主設(shè)計實驗,、材料開發(fā)于一體的“全流程機器化學(xué)家”平臺,，其研發(fā)始于2014年。當(dāng)時,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)物理系教授江俊找來人工智能,、電子科技、數(shù)學(xué),、化學(xué)等不同專業(yè)人才組成具有交叉學(xué)科背景的團隊,，嘗試建立會思考的“化學(xué)大腦”。經(jīng)過多年努力打造的機器化學(xué)家“小來”,，讓研究速度實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍,。

　　“實驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理后輸入‘小來’的計算大腦，由人工智能模型幫助科研人員優(yōu)化實驗方案,，可以大幅提升我們的效率,?！苯≌f。以研發(fā)高熵合金催化劑為例――閱讀1.6萬篇論文并自主遴選出5種非貴金屬元素,，再從55萬種可能的金屬配比中找出最優(yōu)配方,，“機器化學(xué)家”可將科研周期縮短至5周。

　　李震宇表示,，傳統(tǒng)化學(xué)研究范式深度依賴“試錯法”,，過程繁瑣、耗時冗長,，化學(xué)反應(yīng)經(jīng)常產(chǎn)生大量副產(chǎn)物,，不環(huán)保、不經(jīng)濟,、不安全,。改變研究范式是社會環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展和化學(xué)學(xué)科本身發(fā)展的迫切需求,。而通過人工智能加速實現(xiàn)精準(zhǔn)化研究,，過程透明、機理清晰,、全程可控,，更高效環(huán)保。

　　不只是催化劑,，還有新材料,。前不久，《自然》雜志發(fā)表了一項重要成果,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文,、楊正金團隊與合作者設(shè)計了一類新型離子膜――微孔框架聚合物離子膜，首次實現(xiàn)膜內(nèi)近似無摩擦的離子傳導(dǎo),，有望應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)化,、大規(guī)模儲能以及分布式發(fā)電等領(lǐng)域。使用該膜組裝的液流電池,，充放電電流密度可達到每平方厘米500毫安,，是當(dāng)前普遍報道值的5倍以上?！皞鹘y(tǒng)研究范式中,，選擇制作合用的膜，就像大海撈針,。有了人工智能工具的幫助,，我們就能根據(jù)應(yīng)用場景所需要的分類精度，判斷這個膜需要具備什么性能，在通道中再進行精準(zhǔn)調(diào)控,、修飾,。”徐銅文說,。

　　李震宇這樣形容化學(xué)研究范式的變革：“拿交通方式打比方,，化學(xué)研究的初級階段就像步行；之后技術(shù)手段升級,，相當(dāng)于坐上了自行車,、摩托車、汽車,；引入人工智能,，好比坐上火箭,，量變引起質(zhì)變,，可以帶我們?nèi)ピ虑虻纫郧翱坎叫小⒆嚾ゲ涣说牡胤??！?/p>

　　科學(xué)家會被取代嗎

　　有了機器人，還需要人類科學(xué)家嗎,？“這種擔(dān)憂完全沒有必要,。好的工具會帶來更多可能性，我們能做更多事,?！苯≌f。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授姚宏斌的最新突破,，就是一個電腦幫助人類做出更好科研成果的故事,。今年4月初，姚宏斌課題組,、李震宇課題組的研究成果發(fā)表在《自然》上,，他們通過材料結(jié)構(gòu)和界面精準(zhǔn)設(shè)計，開發(fā)出鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新家族,。

　　幾年前,，在尋找鹵化物電解質(zhì)過程中，姚宏斌課題組考慮將石榴石氧化物――鋰鑭鋯氧中的“氧”換成“氯”,。按傳統(tǒng)研究方法得在實驗室里一點點試錯,，不僅慢還得碰運氣。為此,，他想求助于計算機,。2021年，姚宏斌錄取了一名既有材料科學(xué)專業(yè)背景、又有計算機編程基礎(chǔ)的研究生羅錦達,，并找到計算化學(xué)方向的李震宇教授共同指導(dǎo),。在兩位教授的共同指導(dǎo)下，羅錦達寫出了可滿足研究需要的程序,。之后,，姚宏斌團隊和李震宇團隊聯(lián)合，根據(jù)計算機模擬結(jié)果設(shè)計出一個常溫條件下可以穩(wěn)定存在的鑭系金屬氯化物,，又在實驗室成功合成出具有優(yōu)質(zhì)性能的鑭系金屬氯化物固態(tài)電解質(zhì),。

　　樣品出來后，如何解釋原理,？團隊成員結(jié)合自己的實驗數(shù)據(jù)以及歷史上相關(guān)研究的海量實驗數(shù)據(jù),，讓計算機程序在超算中心去“跑”。經(jīng)過長時間計算模擬和分析,，最終探明鑭系金屬鹵化物框架結(jié)構(gòu)的鋰離子傳導(dǎo)原理,。

　　姚宏斌說：“模擬計算在這項研究中的分量，約占三分之一,。沒有這三分之一,，研究將無法令人滿意，因為我們可能無法在短時間內(nèi)尋找到最優(yōu)的電解質(zhì)材料,，也不能把實驗現(xiàn)象背后的原理解釋清楚,。”

　　未來需要什么樣的科研人才,？“應(yīng)該具備扎實的基礎(chǔ)和開放的心態(tài),。”江俊表示,，現(xiàn)在知識量已經(jīng)無比龐大,，沒有人能看到全局，我們應(yīng)該找到自己喜歡的專業(yè),，把知識的脈絡(luò)看清楚,；同時還要有開放的心態(tài)，敢于學(xué)習(xí)新東西,。

　　“先進技術(shù)為人類探究更深層次的科學(xué)問題提供了更多可能性,，但科學(xué)探究的邊界仍被人類對自然界的認(rèn)知和理解所限制?！币瓯髣t認(rèn)為,，科研工作者需要不斷拓展認(rèn)知，才能更好地解釋大自然的奧秘,。

　　培養(yǎng)更好的科研人工智能

　　國外也有會做實驗的機器人,。2020年,，利物浦大學(xué)研制的世界首個機器人化學(xué)家登上《自然》雜志封面，它可以在1周內(nèi)研究1000種催化劑配方,，相當(dāng)于1個博士生4年的工作量,。但這款機器人化學(xué)家沒有物理模型，沒有預(yù)見性,，不能提出任何科學(xué)假設(shè),。

　　與之相比，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的“小來”是一個有“腦子”的機器人化學(xué)家,。它“能學(xué)”,，可閱讀海量文獻，學(xué)習(xí)化學(xué)知識,；“能想”,，可調(diào)用底層的物理模型，結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)進行思考和模擬計算,；“能做”,，可自主完成實驗，采集精準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)模擬計算結(jié)果,，理實交融給出解決方案,，形成科學(xué)研究閉環(huán),。

　　但“小來”的進化依然存在不少難點,。算力算法不足，是現(xiàn)階段的痛點,。江俊團隊自主研發(fā)了一款化學(xué)領(lǐng)域的聊天機器人程序ChemGPT,。但因為GPU算力不足，ChemGPT“跑不快”,，訓(xùn)練迭代很慢,。

　　數(shù)據(jù)也有待豐富和優(yōu)化?！叭斯ぶ悄苄枰獙W(xué)習(xí)大量數(shù)據(jù),，但其實我們很缺數(shù)據(jù)?！苯≌f?，F(xiàn)階段大部分科研數(shù)據(jù)都從文獻中收集，而文獻中的數(shù)據(jù)常常是被“美化”過的理想數(shù)據(jù),。由于現(xiàn)存研究數(shù)據(jù)來源多且雜,，數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，人工智能從這些數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí),，就可能學(xué)到錯誤的東西,。

　　“精準(zhǔn)化學(xué)依賴實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,。”李震宇表示,，應(yīng)該從精準(zhǔn)數(shù)據(jù)出發(fā)獲得高質(zhì)量的化學(xué)智能,，有了化學(xué)智能再回過頭來對化學(xué)反應(yīng)、材料性質(zhì)等實施精準(zhǔn)調(diào)控,，形成完整的研究閉環(huán),。

　　科學(xué)家們對更好的科研人工智能充滿期待?！拔覀兿Ｍ麑⒕珳?zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室建設(shè)成一個精準(zhǔn)智能化學(xué)領(lǐng)域的國際頂尖研究機構(gòu),，形成一個新的精準(zhǔn)智能化學(xué)研究范式，建立我國主導(dǎo)的精準(zhǔn)化學(xué)數(shù)據(jù)體系和智能化學(xué)的軟硬件標(biāo)準(zhǔn),?！崩钫鹩钫f。 （經(jīng)濟日報記者 佘惠敏）