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研究人員在控制室分析電催化機(jī)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。張大崗/攝

自主閱讀海量文獻(xiàn)汲取前人智慧，制定實(shí)驗(yàn)方案，在無人干預(yù)的情況下完成實(shí)驗(yàn)全流程，思考出最優(yōu)解，創(chuàng)造新的化學(xué)品和材料。

這正是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授羅毅、江俊團(tuán)隊(duì)的作品。8年攻關(guān)，他們開發(fā)和集成移動機(jī)器人、智能化學(xué)工作站、智能操作系統(tǒng)、科學(xué)數(shù)據(jù)與模型庫，研制出全球首個(gè)“數(shù)據(jù)智能驅(qū)動的全流程機(jī)器化學(xué)家平臺”（以下簡稱機(jī)器化學(xué)家）。

研究論文發(fā)表于《國家科學(xué)評論》。審稿人評價(jià)，該成果的“機(jī)器人系統(tǒng)、工作站和智能化學(xué)大腦都是最先進(jìn)的”，“將對化學(xué)科學(xué)產(chǎn)生巨大影響”。

“這主要得益于中國科大多學(xué)科交叉的背景，促使不同學(xué)科的科研人員會集在一起做一件事。我們的目標(biāo)是建成機(jī)器化學(xué)家大科學(xué)裝置，解放化學(xué)家雙手，加快新化學(xué)品和新材料的研發(fā)創(chuàng)制。”江俊向《中國科學(xué)報(bào)》介紹。

日前，羅毅、江俊團(tuán)隊(duì)獲得了2022年中國科學(xué)院年度團(tuán)隊(duì)稱號。

“最強(qiáng)化學(xué)大腦”引領(lǐng)化學(xué)研究智能化

提及為何會研發(fā)機(jī)器化學(xué)家，江俊自嘲是因?yàn)槭直俊Ｔ缭?003年，還在中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所攻讀碩博連讀學(xué)位的江俊經(jīng)常要做實(shí)驗(yàn)。“但是我的手特別笨，所以做實(shí)驗(yàn)失敗是常有的事。”江俊說，后來他師從羅毅教授，專攻理論化學(xué)研究。

在做理論研究中，江俊發(fā)現(xiàn)中國人在學(xué)術(shù)上非常“被動”。“我們做了大量研究工作，最終成果發(fā)表在外文期刊上。但引用這些論文數(shù)據(jù)時(shí)還得花錢買，并且只有訪問權(quán)，不允許大量下載。”江俊認(rèn)為，“我們應(yīng)該做中國人自己的材料數(shù)據(jù)庫。”

物理學(xué)家狄拉克說“公式都是優(yōu)美的”，底層規(guī)則是非常清晰和簡單的。但是一旦將理論應(yīng)用到實(shí)踐中，解答其方程的復(fù)雜度往往高到無法想象，人類無法計(jì)算求解。因此，由于算力和人類思考能力的局限，理論和實(shí)踐常處于“脫節(jié)”狀態(tài)。這種長期“脫節(jié)”，帶來了傳統(tǒng)化學(xué)研究的最大“痛點(diǎn)”——科研人員主要依賴于“窮舉”“試錯(cuò)”的手段創(chuàng)制新物質(zhì)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本高、周期跨度長；隨著化學(xué)研究對象日益復(fù)雜化、高維化，面對龐大的化學(xué)空間，配方和工藝的搜索常常止步于局部最優(yōu)，無法進(jìn)行全局探索。

逐漸興起并快速迭代進(jìn)化的大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)為解決這些難題提供了新的機(jī)遇。羅毅、江俊及其團(tuán)隊(duì)提出了“機(jī)器化學(xué)家”的概念，并開展相關(guān)科研工作。從2014年到2022年，他們攻堅(jiān)克難，成功研制出機(jī)器化學(xué)家。

機(jī)器化學(xué)家由“化學(xué)大腦”、機(jī)器人實(shí)驗(yàn)員和智能化學(xué)工作站三部分組成。其中最核心的“化學(xué)大腦”通過分析大量化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)建立知識圖譜，實(shí)現(xiàn)了閱讀理解文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、自主優(yōu)化方案，并配備了人機(jī)交互的操作系統(tǒng)，便于“無編程基礎(chǔ)”的科研用戶使用。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)員和16個(gè)智能化學(xué)工作站之間能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和互動，精準(zhǔn)配合執(zhí)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

以研制潛力巨大的高熵化合物催化劑為例，江俊展示了機(jī)器化學(xué)家的“絕技”：閱讀1.6萬篇論文，自主遴選出5種非貴金屬元素，融合2萬組理論計(jì)算數(shù)據(jù)和200組全流程機(jī)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了理實(shí)交融的智能模型，從55萬種可能的金屬配比中找出最優(yōu)的高熵催化劑。將傳統(tǒng)需要消耗大量人力、物力、時(shí)間等的“炒菜式”遍歷搜索所需的1400年，縮短為5周。

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，機(jī)器化學(xué)家的研究工作脫離了傳統(tǒng)試錯(cuò)研究范式的限制，展現(xiàn)出“最強(qiáng)化學(xué)大腦”指導(dǎo)的智能新范式的巨大優(yōu)勢，引領(lǐng)化學(xué)研究朝著知識理解數(shù)字化、實(shí)驗(yàn)操作指令化、材料創(chuàng)制模板化的未來趨勢前進(jìn)，確立了我國在智能化學(xué)創(chuàng)新領(lǐng)域的全球領(lǐng)跑地位。

從不“擺爛”、從不應(yīng)付交差

如此“聰慧”的機(jī)器化學(xué)家，其研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員近30人，多數(shù)是“90后”“95后”。他們分工明確，配合默契。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)豐富的朱青等人負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并對機(jī)器人實(shí)驗(yàn)員的操作質(zhì)量進(jìn)行評估；黃炎等人負(fù)責(zé)理論模型的計(jì)算；張百成編寫程序，讓機(jī)器人讀論文、提出科學(xué)假設(shè)、形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和方案；肖恒宇和趙路遠(yuǎn)等主攻系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)以及各個(gè)化學(xué)工作站的軟硬件開發(fā)；自動化系的尚偉偉、張飛團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)研制機(jī)器人。

“研發(fā)中的一個(gè)難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的精準(zhǔn)模仿。”江俊說，人可以自然而然或是通過訓(xùn)練做出很多動作，但是機(jī)器人做不到。為解決該難題，尚偉偉與張飛把科研人員做實(shí)驗(yàn)的各種動作拍成視頻，然后一點(diǎn)點(diǎn)分解，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)模仿。

另一個(gè)難點(diǎn)在于改造智能化學(xué)工作站。很多傳統(tǒng)的化學(xué)工作站與機(jī)器人之間并不具備遠(yuǎn)程通信互動的功能，這就要求團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)。

趙路遠(yuǎn)和師弟曹嘉祺在編寫固體進(jìn)樣儀器的驅(qū)動程序時(shí)，由于信息掌握不充分，無法準(zhǔn)確理解并調(diào)用儀器接口。他們多次聯(lián)系國外儀器廠商和代理商，但得到的回應(yīng)都是“無可奉告”“商業(yè)機(jī)密”。于是，他們決定自力更生。

“當(dāng)時(shí)，我們用3個(gè)星期，重復(fù)做了3000次發(fā)送信號、等待反饋、記錄響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，逐步逆向試出底層控制邏輯，成功實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。”趙路遠(yuǎn)說，令她自豪的是，后來國外儀器廠商主動聯(lián)系，想購買他們研發(fā)的驅(qū)動程序。

2021年12月2日，機(jī)器化學(xué)家迎來第一次“大考”——系統(tǒng)整體試運(yùn)行。團(tuán)隊(duì)成員信心滿滿，結(jié)果不盡如人意。“化學(xué)設(shè)備單獨(dú)運(yùn)行時(shí)是正常的，但參與到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)卻無法使用。”肖恒宇說，團(tuán)隊(duì)成員通宵達(dá)旦排查原因，仍無頭緒。

肖恒宇想到化學(xué)設(shè)備和機(jī)械臂均使用了紅外探測設(shè)備，可能會互相干擾。于是，他將機(jī)械臂換一個(gè)朝向，解決了問題。

在之后的開發(fā)調(diào)試中，不同領(lǐng)域的儀器設(shè)備、不同系統(tǒng)的程序通信間，都出現(xiàn)了類似的磨合難題，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用交叉學(xué)科思維，將它們逐一解決。

面對的問題越復(fù)雜，就越考驗(yàn)跨學(xué)科的思考能力。令江俊欣慰的是，團(tuán)隊(duì)成員在面臨技術(shù)難題時(shí)，從不“擺爛”，從不應(yīng)付交差。一個(gè)方案受挫，他們集智攻關(guān)，敢于突破，大膽創(chuàng)新，反復(fù)測試，在挫折和失敗中汲取經(jīng)驗(yàn)。

計(jì)劃3至5年建成機(jī)器化學(xué)家大科學(xué)裝置

人們一般通過“望聞問切”就可以了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，比如奇怪的味道、不同的顏色，但機(jī)器人不能實(shí)時(shí)判斷出這些變化。這也是江俊團(tuán)隊(duì)正在攻克的難題——用現(xiàn)代化手段賦予機(jī)器人物質(zhì)級別的感知能力。

何謂物質(zhì)級別感知能力？“簡單來說，就是增強(qiáng)機(jī)器人攝像頭‘本領(lǐng)’——既有紅外視覺又有可見光視覺，使機(jī)器人可以識別出顏色變化。此外，還可以加上光譜。科研人員根據(jù)光譜變化，進(jìn)而了解實(shí)驗(yàn)中微觀物質(zhì)演化情況。”江俊解釋。

未來，江俊希望能建成一個(gè)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。一邊，全國的化學(xué)家、材料學(xué)家只需在網(wǎng)上提交自己的任務(wù)；另一邊，團(tuán)隊(duì)成員通過智能操作系統(tǒng)分時(shí)安排機(jī)器人完成任務(wù)，最后將方案反饋給科學(xué)家們。

基于這樣一個(gè)大平臺，不僅可以讓各個(gè)課題組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交匯、共享，產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，自動提煉出數(shù)字化的知識圖譜和人工智能的模型，進(jìn)而指導(dǎo)機(jī)器人自動優(yōu)化產(chǎn)生更好、更高效率的化學(xué)品或新材料，而且在完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程中，機(jī)器人通過與科研人員互動，默默學(xué)習(xí)人類的操作邏輯、思維模式，在若干年之后，有望變成一個(gè)真正智能、創(chuàng)造力比肩大學(xué)教授的機(jī)器化學(xué)家。

“我們希望爭取到國家的支持，在2至3年內(nèi)建成擁有幾十個(gè)機(jī)器人的小型裝置，3至5年后建成一個(gè)大科學(xué)裝置。在這期間，我們還要不斷訓(xùn)練機(jī)器人和智能化學(xué)通用模型。”江俊規(guī)劃著未來的研究藍(lán)圖。他們的最終目標(biāo)是改變傳統(tǒng)化學(xué)研究范式，解放化學(xué)家雙手。

近年來，各種交叉學(xué)科、各種新技術(shù)層出不窮，似乎各種知識都要抓緊學(xué)習(xí)。對此，結(jié)合自己的研究經(jīng)歷和體會，江俊建議青年學(xué)者首先保證“基礎(chǔ)寬而厚實(shí)”，其次要“涉獵廣泛”。

“從研發(fā)機(jī)器化學(xué)家這套系統(tǒng)來看，我發(fā)現(xiàn)底層的物理化學(xué)規(guī)則最重要。所以剛開始不要著急，先把本專業(yè)知識點(diǎn)學(xué)扎實(shí)、邏輯理清楚，然后適時(shí)地把其他專業(yè)內(nèi)容嫁接過來。”因此，江俊認(rèn)為青年學(xué)者既要用開放式思維做交叉科學(xué)，又要保證精通自己的專業(yè)。此外，他建議，一定要相信年輕人，讓他們嘗試富有挑戰(zhàn)性的大課題。

《中國科學(xué)報(bào)》 (2023-05-16 第1版 要聞)

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2023/5/374469.shtm