猜測(cè),、嘗試、糾錯(cuò),，再猜測(cè),、再嘗試……過去150多年里，傳統(tǒng)的化學(xué)研究范式深度依賴“試錯(cuò)法”,，其局限性使得物質(zhì)創(chuàng)制的周期長(zhǎng),、成本高，難以實(shí)現(xiàn)高效,、節(jié)能,。

　　那理想的化學(xué)研究應(yīng)該是什么樣？

　　在中科院精準(zhǔn)智能化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任李震宇看來,，就是把東西放進(jìn)去,，想讓它轉(zhuǎn)化成什么，就能轉(zhuǎn)化成什么,，同時(shí)這個(gè)過程中不會(huì)產(chǎn)生其他不想要的東西,。“這就要求整個(gè)化學(xué)研究做到設(shè)計(jì)精準(zhǔn),，中間所有過程是透明的，機(jī)理是清楚的,，過程是可控制的,。”

　　改變已經(jīng)發(fā)生――在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),，一臺(tái)名叫“小來”的機(jī)器人,，正在代替人類化學(xué)家做實(shí)驗(yàn)，它能將傳統(tǒng)歷時(shí)約1400年的工作量縮短到5周,。

　　這是以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李震宇,、姚宏斌、江俊等為代表的科研人員，深耕精準(zhǔn)智能化學(xué)領(lǐng)域,，推動(dòng)科研范式變革取得的成果之一,。

　　1400年變5周，化學(xué)品創(chuàng)制周期極大縮短

　　今年1月,，以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為依托單位的精準(zhǔn)智能化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲中科院批準(zhǔn)建設(shè),。據(jù)李震宇介紹，實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展先進(jìn)的理論計(jì)算方法,，通過理論計(jì)算模擬得到大量精準(zhǔn)的計(jì)算數(shù)據(jù),，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)表征，得到大量精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)這些數(shù)據(jù),，實(shí)現(xiàn)“從精準(zhǔn)到智能”。在化學(xué)智能的助力下,，實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)路徑與材料物性的精準(zhǔn)調(diào)控,，完成“從智能到精準(zhǔn)”的閉環(huán)，大幅提升化學(xué)研究的效率,。

　　“如果有很多的數(shù)據(jù),，計(jì)算機(jī)自己就可以找出其中的關(guān)聯(lián)，不需要由人先總結(jié)一個(gè)規(guī)律,，再由實(shí)驗(yàn)或者計(jì)算加以驗(yàn)證,，使研究速度大幅提高?！崩钫鹩畲蛄藗€(gè)比方,，這是從步行到坐火箭的速度提升，將使以前的很多“不可能”變成“可能”,。

　　以潛力巨大的高熵化合物催化劑為例：獲得最優(yōu)配方需要測(cè)試極其龐大的化學(xué)配比組合,，如果依賴傳統(tǒng)研究范式，這一過程可能需要1400年,，而“機(jī)器化學(xué)家”發(fā)揮數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和智能優(yōu)化的優(yōu)勢(shì),，從55萬種可能的金屬配比中找出最優(yōu)的高熵催化劑，僅需要5周時(shí)間,。

　　“但現(xiàn)在也存在一些難點(diǎn),，最大的問題就是數(shù)據(jù)不統(tǒng)一?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授江俊表示,，機(jī)器人能夠閱讀海量論文來獲取數(shù)據(jù)，但由于實(shí)驗(yàn)室條件不同,，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)也不一樣,，數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)沖突,。這可能導(dǎo)致機(jī)器人在閱讀學(xué)習(xí)的過程中出現(xiàn)“誤解”。

　　對(duì)此,，江俊團(tuán)隊(duì)想出了一個(gè)新思路――用理論模擬大數(shù)據(jù)產(chǎn)生預(yù)訓(xùn)練模型,，再依托應(yīng)用實(shí)踐小數(shù)據(jù)做校準(zhǔn)，建立面向復(fù)雜體系的“理實(shí)交融”模型,?！拔覀兡軌虬鸦瘜W(xué)知識(shí)、物理知識(shí)等底層知識(shí)數(shù)據(jù)化,、代碼化,、遷移化，就有可能形成智能化的新研究范式,?！?/p>

　　它是具備科學(xué)思維的“機(jī)器化學(xué)家”

　　在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“機(jī)器化學(xué)家”實(shí)驗(yàn)室的大屏幕上，一個(gè)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的流程已經(jīng)被設(shè)定好,，液體進(jìn)樣站,、磁力攪拌站、烘干工作站等工作站被一一連接起來,?！靶怼币来蔚礁鞴ぷ髡具M(jìn)行操作，機(jī)械臂抓試管,、稱量,、攪拌、離心,、烘干……每做完一次實(shí)驗(yàn),，數(shù)據(jù)結(jié)果都會(huì)自動(dòng)歸檔，累積到一定程度后進(jìn)行自動(dòng)分析,。

　　“這個(gè)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)是進(jìn)行芬頓催化劑配方的優(yōu)化,。”其實(shí),，借助機(jī)器人完成化學(xué)實(shí)驗(yàn),，已有先例。2020年,，利物浦大學(xué)研制出世界首個(gè)機(jī)器人化學(xué)實(shí)驗(yàn)員,，一周內(nèi)可以研究1000種催化劑配方，相當(dāng)于一個(gè)博士生4年的工作量,。

　　這兩款化學(xué)機(jī)器人有何不同？

　　“對(duì)方團(tuán)隊(duì)的AI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),，而擁有‘大腦’的‘小來’可以?！痹诮】磥?，這種方式能讓機(jī)器人真正用智能決策去做實(shí)驗(yàn)，跳出了經(jīng)驗(yàn)主義的陷阱,，實(shí)現(xiàn)全流程智能化的閉環(huán),。

　　“它首先‘能學(xué)’，即模型漫無目的地學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí),，閱讀海量文獻(xiàn),；同時(shí)‘能想’，即調(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(jìn)行思考和模擬計(jì)算,；最終‘能做’，即自主完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，實(shí)現(xiàn)科學(xué)方法的閉環(huán),。”江俊說,它是具備科學(xué)思維的“機(jī)器化學(xué)家”,。

　　如今,，“小來”已經(jīng)大顯身手。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒綱團(tuán)隊(duì)篩選光學(xué)活性薄膜材料時(shí),，為找到目標(biāo)材料,，需要混合多種分子并且控制薄膜厚度、應(yīng)力,、灰度等工藝條件,，其可能性有上百萬種。團(tuán)隊(duì)努力了10年,，終于將不對(duì)稱因子提高到了1.2,，但離理論極限2.0還有非常大的差距。借助“小來”,，他們?cè)趦蓚€(gè)月內(nèi)找到了不對(duì)稱因子1.95所需的工藝條件,，高度逼近理論極限。

　　一個(gè)好的工具會(huì)帶來很多可能性

　　“機(jī)器化學(xué)家”只是開始,。

　　“我們的目標(biāo)是建成‘機(jī)器化學(xué)家’大科學(xué)裝置,，在一整棟大樓里，布置上百個(gè)機(jī)器人,、上千個(gè)智能化學(xué)工作站,，真正解放化學(xué)家的雙手，加快新化學(xué)品和新材料的研發(fā)創(chuàng)制,?！苯≌f,。

　　“人類肉眼只能看到大致宏觀的現(xiàn)象，通過光譜的精細(xì)測(cè)量,，機(jī)器人可以把微觀信息理解清楚,，預(yù)測(cè)很多金屬材料的催化活性?！闭劶跋乱徊接?jì)劃,，江俊表示，將為機(jī)器人安裝紅外探頭和拉曼探頭,，使其既有紅外視覺又有可見光視覺,，可以像真正的化學(xué)家一樣，聞到化學(xué)品的氣味,，看到化學(xué)品的顏色,，感知溫度、濕度和壓力,。

　　“第四次科技革命的驅(qū)動(dòng)力,，必然是機(jī)器智能，其途徑將是AI for Science,?！苯≌f，中國科大的AI for Science不僅賦予了機(jī)器人科學(xué)思維,，還可以將其大范圍遷移應(yīng)用,。

　　“有人質(zhì)疑我說，人家是做顛覆性技術(shù),，你是顛覆同事,。其實(shí)不是這樣的?！苯≌f,，一個(gè)好的工具會(huì)帶來很多可能性，科研人員會(huì)借此發(fā)現(xiàn)更多理論,。（記者 崔興毅 常河）