Автономный робот-синтез использует искусственный интеллект для ускорения химических открытий

Химики Амстердамского университета (UvA) разработали автономного робота для химического синтеза со встроенным блоком машинного обучения, управляемым искусственным интеллектом. Настольное устройство, получившее название «РобоХим», может превзойти химика-человека с точки зрения скорости и точности, а также продемонстрировать высокий уровень изобретательности. Будучи первым в своем роде, он может значительно ускорить химическое открытие молекул для фармацевтических и многих других применений. Первые результаты RoboChem были опубликованы 25 января в журнале Science.

RoboChem был разработан группой профессора Тимоти Ноэля из Института молекулярных наук им. Вант-Хоффа при Университете УВА. Их статья показывает, что RoboChem — точный и надежный химик, который может выполнять различные реакции, производя при этом минимальное количество отходов. Работая автономно круглосуточно, система обеспечивает результаты быстро и без устали. Ноэль: «За неделю мы можем оптимизировать синтез примерно десяти-двадцати молекул. У аспиранта на это ушло бы несколько месяцев». Робот не только обеспечивает наилучшие условия реакции, но и обеспечивает настройки для масштабирования. «Это означает, что мы можем производить объемы, которые непосредственно важны, например, для поставщиков фармацевтической промышленности».

Группа Noël специализируется на проточной химии — новом способе проведения химических процессов, при котором система небольших гибких трубок заменяет мензурки, колбы и другие традиционные химические инструменты. В RoboChem роботизированная игла тщательно собирает исходные материалы и смешивает их в небольших объемах (чуть более половины миллилитра). Затем они текут по системе труб к реактору. Там свет мощных светодиодов запускает молекулярное преобразование, активируя фотокатализатор, включенный в реакционную смесь. Затем поток продолжается к автоматизированному ЯМР-спектрометру, который идентифицирует трансформированные молекулы. Эти данные в режиме реального времени передаются обратно на компьютер, который управляет RoboChem. «Это мозг RoboChem», — говорит Ноэль. «Он обрабатывает информацию с помощью искусственного интеллекта. Мы используем алгоритм машинного обучения, который автономно определяет, какие реакции выполнять. Он всегда стремится к оптимальному результату и постоянно совершенствует свое понимание химии».

Группа приложила немало усилий для обоснования результатов RoboChem. Все молекулы, включенные в научный доклад, были изолированы и проверены вручную. Ноэль говорит, что система поразила его своей изобретательностью: «Я работаю над фотокатализом уже более десяти лет. Тем не менее, RoboChem показал результаты, которые я не смог бы предсказать. Например, он определил реакции, которые требуют только очень мало света. Временами мне приходилось чесать голову, чтобы понять, что он сделал. Затем вы задаетесь вопросом: сделали бы мы это таким же образом? Оглядываясь назад, вы видите логику РобоХима. Но я сомневаюсь, что мы получили бы Мы и сами получаем такие же результаты. Или, по крайней мере, не так быстро».

Исследователи также использовали RoboChem для повторения предыдущих исследований, опубликованных в четырех случайно выбранных статьях. Затем они определили, дал ли Robochem такие же или лучшие результаты. «Примерно в 80% случаев система давала более высокие урожаи. В остальных 20% результаты были аналогичными», — говорит Ноэль. «Это не оставляет у меня сомнений в том, что подход с помощью ИИ будет полезен для химических открытий в самом широком смысле».

По словам Ноэля, актуальность RoboChem и другой «компьютеризированной» химии также заключается в генерации высококачественных данных, которые принесут пользу будущему использованию ИИ. «При традиционных химических открытиях тщательно исследуются только несколько молекул. Затем результаты экстраполируются на, казалось бы, похожие молекулы. RoboChem создает полный и всеобъемлющий набор данных, в котором все соответствующие параметры получены для каждой отдельной молекулы. Это дает гораздо больше информации».

Еще одна особенность заключается в том, что система записывает и «отрицательные» данные. В современной научной практике большинство опубликованных данных отражают только успешные эксперименты. «Неудачный эксперимент также дает соответствующие данные», — говорит Ноэль. «Но это можно найти только в рукописных лабораторных записях исследователей. Они не публикуются и, следовательно, недоступны для химии с использованием ИИ. RoboChem тоже это изменит. Я не сомневаюсь, что если вы хотите совершить прорыв в химии с помощью ИИ , вам понадобятся такие роботы».

Слэттери А, Вэнь З, Тенблад П, Санхосе-Ордуна Х, Пинтосси Д, ден Хартог Т, Ноэль Т.
Автоматизированная самооптимизация, интенсификация и масштабирование фотокатализа в потоке.
Наука. 2024, 26 января;383(6681):eadj1817. дои: 10.1126/science.adj1817