它工作一周堪比博士4年科研生涯!机器“化学家”诞生,中国市场商业化前景巨大|专访

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它工作一周堪比博士4年科研生涯!机器“化学家”诞生,中国市场商业化前景巨大|专访
麻省理工科技评论 2020-07-12

2020-07-12

人类需要几个月才能完成的任务,它只需要 2-3 天。
机器人
人类需要几个月才能完成的任务,它只需要 2-3 天。

7 月 9 日,一篇发表在《自然》(Nature)杂志封面上的文章着实吸引了人们的眼球。经研究人员改造后,汽车装配线上常用的机器人 “变身” 成为 “机器人化学家”,它可以像人类一样使用各种实验仪器,在化学实验室内自主工作,它的尺寸和人类相当,可以在传统、无改造的实验室内工作,甚至可以在完全黑暗的环境下工作。

这个实验机器人每天可以工作 21.5 个小时,剩下的时间需要去充电。也就是说,如果能实现无线充电模式,它可以从 0 点干到 0 点,一周 7 天不休息,妥妥的 “007”。

“太恐怖了,或许以后真的不需要我们这群搬砖工了。只要有钱的大老板加少量化学家,很多事情都能搞的定了。愁!” 一位知乎网友如此感叹。

确实,目前不少化学和生物专业的实验操作真的不需要太多思考,只需要熟练操作。与机器相比,人类的体力有限,记忆力有限,操作容易出错,处于劣势。

但也有人认为无需担心,“推广不下去的,国内研究生可比实验机器人便宜多了。” 这个理由听着有些凄惨,而且,长期来看,只要市场够大,痛点够大,成本是一个可解决的问题。结合 AI 的实验机器人很可能在未来替代一批实验人员,如流水线工厂一样操作那些重复性实验。

做科学研究,是一件极为有价值、有意义,但有时却略显枯燥的事。比如,在一些高校实验室或其他科研机构工作室内,单调、频繁的试错工作会大量消耗学生或其他科研人员的时间和精力。甚至,他们有时在实验室内通宵达旦地工作,只是为了等待一个未知的实验结果。其中很多人可能有过连续几天泡在实验室的经历。也因此,众多的研究生和青年科研人员会自嘲为“科研民工”。

那么,如何解决这一问题?一直以来,人工智能和自动化被认为是可以将人类从一些单调乏味的工作中解放出来的技术手段。但是,真正让人眼前一亮的应用场景并不多,尤其是在实验室内。

如今,科研人员将人工智能和自动化真正带入了实验室内,并且在一定程度上,表现得比人类要好。这一科研成果来自论文通讯作者、英国利物浦大学安德鲁·库珀(Andrew Cooper)教授的科研团队。

它工作一周堪比博士4年科研生涯!中国市场商业化前景巨大

图|Nature 封面(来源:Nature)

对此,DeepTech 从技术、应用场景和商业化前景等方面,采访了中国学者、库珀在利物浦大学材料创新工场的同事刘明博士。除了材料创新工场内的同事关系,他们还一起创办了另一家公司 CageCapture,该公司专注于利用新型材料净化污染的空气。

“与其实现具体实验设备的自动化,不如将操作人员 ‘自动化’。这样的好处在于,理论上这样一台化学机器人在未来可以做到 ‘即插即用’,能主动去适应和操作实验室已有的设备(这些仪器往往是相当昂贵的)。而且这样的自动化方案不局限于某个化学实验,以后通过软件调试,机器人不仅可以做催化剂的研发,也可以实现电池材料的组装。” 刘明告诉 DeepTech。

不休息的 “工作狂”

新材料的研发是解决当前社会上环境污染、能源危机等诸多挑战的重要基础。材料基因组技术是近年来逐渐兴起的材料研究新方法和新理念,其核心在于通过 “高通量计算、高通量实验和大数据分析” 技术,加速新材料的研发和应用。尽管目前高通量计算和大数据分析技术应得到了长足发展,但高通量实验及检测依然是材料基因组技术的瓶颈,只靠人力在有限时间内很难进行海量的实验操作和表征。

目前,化学自动化技术主要还是对某一个具体仪器的高通量化和自动化,以及将一些常规合成与测试整合做成模块化设备(比如欧美比较成功的企业 Chemspeed、Labman)。

但这些解决方案仍有很多弊端,一般化学实验流程复杂,往往涉及很多仪器和设备(比如核磁、质谱和单晶衍射等),要将这些设备全部自动化,无论是在成本上、还是在接口通用上都存在诸多困难,而且不同的化学研究所需要的仪器变数很大,模块化的设备往往只能用于某项具体的化学实验。

而 “机器人化学家” 就可以很好地解决上述问题。

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图|凌晨 3 点,它依然在工作。(来源:Nature)

据论文描述,“机器人化学家” 可以自主完成化学实验中的所有任务。比如,称量固体、分配液体、除去容器中的空气、进行催化反应和量化反应产物等。更甚者,它还可以对下一步需要进行什么化学实验作出自主决定。根据已完成的实验结果来看,它可以从 10 个维度进行分析,从超过 9800 万个候选化学实验中,确定下一步要进行的最佳实验。

值得注意的是,除了充电时的 “休息时间”,“机器人化学家” 每天可以工作 21.5 个小时,几乎可以做到 7 x 24 小时无休止工作。而且,实验已经证明,它可以在 2-3 天内完成人类可能几个月才能完成的事,甚至在一周内做完一名博士生在 4 年科研生涯中才能做完的实验。

而且,由于具有类似于人类的尺寸和可触及范围,它可以使用专为人类操作而设计的实验设备,某种意义上来说,它就像人类研究员一样,可以使用各种各样的仪器。此外,它还可以在传统实验室内解决大量不限于光催化的研究问题。

“手脑” 并用

库珀研究团队内的本杰明·伯格(Benjamin Burger)博士生用了 3 年的时间完成了对 “机器人化学家” 的开发和编程。在他看来,研究过程中最大的挑战就是如何让机器人的大脑十分耐用。“由于它需要完成连续多日的自主工作,并进行数千次的精准操作,它在每项任务中的失败率就必须保持在很低的水平。”

在一次测试中,研究人员通过编程的方式 “命令” 它探索各种假设,以提高一种聚合光催化剂的性能。这个身高 1.75 米、重达 400 公斤的 “家伙” 在 8 天的时间里,工作了 192 个小时,进行了 319 次移动,自主完成了 6500 次实验操作和 668 个相关实验,更令人惊讶的是,它成功研发出了一种 6 倍于现有催化剂活性的全新化学催化剂。

这一人类可能需要几个月才能完成的任务,它只用了 2-3 天的时间。

“机器人化学家” 如此厉害的原因在于,它具有一个智能的大脑和两只灵活的双手。

据论文描述,“机器人化学家” 借助机器学习算法可以实现独立思考,并通过激光扫描和触摸反馈来实现精准定位,在给定需要检验什么假设的情况下,选择进行哪种后续实验,以自主完成一系列的实验操作。

不只是 “化学家”

如今在库珀看来,“机器人化学家” 已经改变了他们的工作方式,它不仅仅是实验室内的一台机器,也是一个具有超强能力的团队成员,它可以为人类腾出多余时间来进行创造性思考。

“我们要的是让研究人员自动化,而不是仪器自动化。这创造了一定程度的灵活性,将改变我们的工作方式和我们可以解决的问题。”

那么,未来 “机器人化学家” 会不会完全取代实验室内的研究人员或在校学生?库珀给出了否定的答案。

虽然目前这个机器人有一定的 “智力“,但所有的程序和调试都需要经过实验人员设计。实验过程中如果出现故障,也需要实验人员去排除。

在不久的将来,机器人化学家将会是化学研究人员的有力帮手:机器人化学家将研究人员从简单机械的操作中解放出来,这样研究人员能将时间放在创造性思考上。

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图|“机器人化学家”的实验室及其实验设备(来源:Nature)

此外,据论文描述,“机器人化学家” 还可以解决目前超出我们能力范围的规模和复杂性的问题。比如,它可以通过搜索广阔的、未开发的化学空间,来寻找清洁能源生产来源或新药配方。

“除了在化学实验领域,它也有可能胜任许多生物、医药等领域的实验任务。除此之外,一些有毒害、放射性环境下的实验工作,它也非常适合去做。” 刘明说。

但是,他也承认,目前的这个最初版本还有许多改进空间。比如,如何进一步降低成本?目前机器人能进行催化剂测试实验相对比较简单,怎么进行更复杂的实验操作?如何引入视觉增强移动性?如何让多台机器人合作?…... 如今,库珀的团队正在对这个版本进行改进和优化。

商业化前景巨大,看好中国市场

谈及商业化时,刘明对比了汽车制造和化学/材料研究两个领域的市场规模和潜力。“2015 年,全球汽车市场规模达到了 17,000 亿美元,汽车制造业也已经基本实现了工业机器人的自动化生产。反观全球化工行业,2016 年的市场规模达到了 52,000 亿美元,但目前只有相当少的部分实现了自动化,化学与材料领域的自动化依然具有巨大的商业机会。

对化学/材料研究领域来说,人工成本的支出仍是研究成本最大的支出部分。目前已有的自动化方案非常昂贵,如前面提到的 Chemspeed 自动合成仪要花费上百万人民币,Labman 定制的化学自动化平台费用高达几千万人民币。相较而言,化学移动机器人的解决方案有着巨大的成本优势。”

据美国科技新闻网站 The Verge 报道,库珀教授如今已经注册了一个名为 Mobtics 的公司,致力于将此项技术商业化。

采访的最后,刘明在谈及中国市场时表示,“中国有非常强的机器人制造能力和完整的产业链,全球约 50% 的大宗化工产品在中国生产,中国化学、材料研究领域的自动化蕴藏了巨大的商业机会,非常适合化学机器人项目的应用与推广。”

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