Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета в Буффало разработали технологию под названием «Искусственный химик», которая включает в себя искусственный интеллект (ИИ) и автоматизированную систему для выполнения химических реакций для ускорения исследований и разработок и производства коммерчески желательных материалов..
В экспериментах по проверке концепции исследователи продемонстрировали, что искусственный химик может идентифицировать и создавать наилучшие из возможных квантовые точки любого цвета за 15 минут или меньше. Квантовые точки - это коллоидные полупроводниковые нанокристаллы, которые используются в таких приложениях, как светодиодные дисплеи.
Однако исследователи быстро отмечают, что Artificial Chemist может определить лучший материал, отвечающий любому набору измеримых свойств, а не только квантовым точкам.
«Искусственный химик - это действительно автономная система, которая может разумно перемещаться по химической вселенной», - говорит Милад Аболхасани, автор статьи о работе и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в штате Северная Каролина. «В настоящее время Artificial Chemist предназначен для материалов, обработанных раствором, то есть он работает с материалами, которые могут быть получены с использованием жидких химических прекурсоров. Материалы, обработанные раствором, включают ценные материалы, такие как квантовые точки, наночастицы металлов / оксидов металлов, металлоорганические каркасы. (MOF) и т.д.
Искусственный химик похож на беспилотный автомобиль, но у беспилотного автомобиля по крайней мере есть конечное число маршрутов на выбор, чтобы добраться до заранее выбранного пункта назначения. С Artificial Chemist вы задаете ему набор желаемых параметров, которые представляют собой свойства, которые вы хотите, чтобы конечный материал имел. Искусственный химик должен выяснить все остальное, например, какими будут химические прекурсоры и каким будет путь синтеза, при этом сводя к минимуму потребление этих химических прекурсоров.
"Конечным результатом является полностью автономная технология разработки материалов, которая не только помогает вам найти идеальный материал, обработанный раствором, быстрее, чем любые методы, используемые в настоящее время, но и делает это с использованием крошечных количеств химических прекурсоров. Это значительно сокращает количество отходов и делает процесс разработки материалов намного менее затратным."
Искусственный химик имеет как «тело» для проведения экспериментов и восприятия их результатов, так и «мозг» для записи этих данных и их использования для определения того, каким будет следующий эксперимент.
Для проверки концепции в корпус Artificial Chemist были включены автоматизированная фабрика нанокристаллов и платформы синтеза потока NanoRobo, разработанные в лаборатории Абольхасани. Платформа Artificial Chemist продемонстрировала, что она может проводить 500 экспериментов по синтезу квантовых точек в день, хотя, по оценкам Аболхасани, она может проводить до 1000 экспериментов.
Мозг искусственного химика - это программа искусственного интеллекта, которая характеризует материалы, синтезируемые телом, и использует эти данные для принятия автономных решений о том, какими будут следующие экспериментальные условия. Он основывает свои решения на том, что, по его мнению, наиболее эффективно приведет к наилучшему составу материала с желаемыми свойствами и показателями производительности.
«Мы пытались имитировать процесс, который люди используют при принятии решений, но более эффективно», - говорит Абольхасани.
Например, Artificial Chemist допускает «передачу знаний», что означает, что он сохраняет данные, сгенерированные из каждого полученного запроса, ускоряя процесс определения следующего материала-кандидата, с которым ему поручено. Другими словами, Artificial Chemist со временем становится умнее и быстрее в определении правильного материала.
Для проверки концепции исследователи протестировали девять различных политик того, как ИИ использует данные, чтобы решить, каким будет следующий эксперимент. Затем они выполнили серию запросов, каждый раз прося искусственного химика определить материал квантовых точек, который лучше всего подходит для трех различных выходных параметров.
«Мы нашли метод, который даже без предварительных знаний может определить наилучшую возможную квантовую точку в течение 25 экспериментов или примерно полутора часов», - говорит Абольхасани. «Но как только Artificial Chemist получил предварительные знания, то есть он уже обработал один или несколько запросов на целевой материал, он мог определить оптимальный материал для новых свойств за 10-15 минут.
Мы обнаружили, что Artificial Chemist также может быстро определять границы свойств материалов для заданного набора исходных химических прекурсоров, так что химикам и материаловедам не нужно тратить свое время на изучение различных условий синтеза.
«Я считаю, что автономные исследования и разработки материалов, проводимые Artificial Chemist, могут изменить будущее разработки и производства материалов», - говорит Аболхасани. «Сейчас я ищу партнеров, которые помогут нам перенести технологию из лаборатории в промышленный сектор».