7 月 9 日，一篇發(fā)表在《自然》（Nature）雜志封面上的文章著實(shí)吸引了人們的眼球。經(jīng)研究人員改造后，汽車裝配線上常用的機(jī)器人 “變身” 成為 “機(jī)器人化學(xué)家”，它可以像人類一樣使用各種實(shí)驗(yàn)儀器，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自主工作，它的尺寸和人類相當(dāng)，可以在傳統(tǒng)、無改造的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作，甚至可以在完全黑暗的環(huán)境下工作。

　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)器人每天可以工作 21.5 個(gè)小時(shí)，剩下的時(shí)間需要去充電。也就是說，如果能實(shí)現(xiàn)無線充電模式，它可以從 0 點(diǎn)干到 0 點(diǎn)，一周 7 天不休息，妥妥的 “007”。

　　“太恐怖了，或許以后真的不需要我們這群搬磚工了。只要有錢的大老板加少量化學(xué)家，很多事情都能搞的定了。愁！” 一位知乎網(wǎng)友如此感嘆。

　　確實(shí)，目前不少化學(xué)和生物專業(yè)的實(shí)驗(yàn)操作真的不需要太多思考，只需要熟練操作。與機(jī)器相比，人類的體力有限，記憶力有限，操作容易出錯(cuò)，處于劣勢(shì)。

　　但也有人認(rèn)為無需擔(dān)心，“推廣不下去的，國(guó)內(nèi)研究生可比實(shí)驗(yàn)機(jī)器人便宜多了。”這個(gè)理由聽著有些凄慘，而且，長(zhǎng)期來看，只要市場(chǎng)夠大，痛點(diǎn)夠大，成本是一個(gè)可解決的問題。結(jié)合 AI 的實(shí)驗(yàn)機(jī)器人很可能在未來替代一批實(shí)驗(yàn)人員，如流水線工廠一樣操作那些重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

　　做科學(xué)研究，是一件極為有價(jià)值、有意義，但有時(shí)卻略顯枯燥的事。比如，在一些高校實(shí)驗(yàn)室或其他科研機(jī)構(gòu)工作室內(nèi)，單調(diào)、頻繁的試錯(cuò)工作會(huì)大量消耗學(xué)生或其他科研人員的時(shí)間和精力。甚至，他們有時(shí)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通宵達(dá)旦地工作，只是為了等待一個(gè)未知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中很多人可能有過連續(xù)幾天泡在實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)歷。也因此，眾多的研究生和青年科研人員會(huì)自嘲為“科研民工”。

　　那么，如何解決這一問題？一直以來，人工智能和自動(dòng)化被認(rèn)為是可以將人類從一些單調(diào)乏味的工作中解放出來的技術(shù)手段。但是，真正讓人眼前一亮的應(yīng)用場(chǎng)景并不多，尤其是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。

　　如今，科研人員將人工智能和自動(dòng)化真正帶入了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，并且在一定程度上，表現(xiàn)得比人類要好。這一科研成果來自論文通訊作者、英國(guó)利物浦大學(xué)安德魯·庫(kù)珀（Andrew Cooper）教授的科研團(tuán)隊(duì)。

　　圖｜Nature 封面（來源：Nature）

　　對(duì)此，DeepTech 從技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)化前景等方面，采訪了中國(guó)學(xué)者、庫(kù)珀在利物浦大學(xué)材料創(chuàng)新工場(chǎng)的同事劉明博士。除了材料創(chuàng)新工場(chǎng)內(nèi)的同事關(guān)系，他們還一起創(chuàng)辦了另一家公司 CageCapture，該公司專注于利用新型材料凈化污染的空氣。

　　“與其實(shí)現(xiàn)具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化，不如將操作人員 ‘自動(dòng)化’。這樣的好處在于，理論上這樣一臺(tái)化學(xué)機(jī)器人在未來可以做到 ‘即插即用’，能主動(dòng)去適應(yīng)和操作實(shí)驗(yàn)室已有的設(shè)備（這些儀器往往是相當(dāng)昂貴的）。而且這樣的自動(dòng)化方案不局限于某個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，以后通過軟件調(diào)試，機(jī)器人不僅可以做催化劑的研發(fā)，也可以實(shí)現(xiàn)電池材料的組裝。” 劉明告訴 DeepTech。

　　不休息的 “工作狂”

　　新材料的研發(fā)是解決當(dāng)前社會(huì)上環(huán)境污染、能源危機(jī)等諸多挑戰(zhàn)的重要基礎(chǔ)。材料基因組技術(shù)是近年來逐漸興起的材料研究新方法和新理念，其核心在于通過 “高通量計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)分析” 技術(shù)，加速新材料的研發(fā)和應(yīng)用。盡管目前高通量計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但高通量實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)依然是材料基因組技術(shù)的瓶頸，只靠人力在有限時(shí)間內(nèi)很難進(jìn)行海量的實(shí)驗(yàn)操作和表征。

　　目前，化學(xué)自動(dòng)化技術(shù)主要還是對(duì)某一個(gè)具體儀器的高通量化和自動(dòng)化，以及將一些常規(guī)合成與測(cè)試整合做成模塊化設(shè)備（比如歐美比較成功的企業(yè) Chemspeed、Labman）。

　　但這些解決方案仍有很多弊端，一般化學(xué)實(shí)驗(yàn)流程復(fù)雜，往往涉及很多儀器和設(shè)備（比如核磁、質(zhì)譜和單晶衍射等），要將這些設(shè)備全部自動(dòng)化，無論是在成本上、還是在接口通用上都存在諸多困難，而且不同的化學(xué)研究所需要的儀器變數(shù)很大，模塊化的設(shè)備往往只能用于某項(xiàng)具體的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　而 “機(jī)器人化學(xué)家” 就可以很好地解決上述問題。

　　圖｜凌晨 3 點(diǎn)，它依然在工作。（來源：Nature）

　　據(jù)論文描述，“機(jī)器人化學(xué)家” 可以自主完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的所有任務(wù)。比如，稱量固體、分配液體、除去容器中的空氣、進(jìn)行催化反應(yīng)和量化反應(yīng)產(chǎn)物等。更甚者，它還可以對(duì)下一步需要進(jìn)行什么化學(xué)實(shí)驗(yàn)作出自主決定。根據(jù)已完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，它可以從 10 個(gè)維度進(jìn)行分析，從超過 9800 萬個(gè)候選化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，確定下一步要進(jìn)行的最佳實(shí)驗(yàn)。

　　值得注意的是，除了充電時(shí)的 “休息時(shí)間”，“機(jī)器人化學(xué)家” 每天可以工作 21.5 個(gè)小時(shí)，幾乎可以做到 7 x 24 小時(shí)無休止工作。而且，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，它可以在 2-3 天內(nèi)完成人類可能幾個(gè)月才能完成的事，甚至在一周內(nèi)做完一名博士生在 4 年科研生涯中才能做完的實(shí)驗(yàn)。

　　而且，由于具有類似于人類的尺寸和可觸及范圍，它可以使用專為人類操作而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，某種意義上來說，它就像人類研究員一樣，可以使用各種各樣的儀器。此外，它還可以在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)解決大量不限于光催化的研究問題。

　　“手腦” 并用

　　庫(kù)珀研究團(tuán)隊(duì)內(nèi)的本杰明·伯格（Benjamin Burger）博士生用了 3 年的時(shí)間完成了對(duì) “機(jī)器人化學(xué)家” 的開發(fā)和編程。在他看來，研究過程中最大的挑戰(zhàn)就是如何讓機(jī)器人的大腦十分耐用。“由于它需要完成連續(xù)多日的自主工作，并進(jìn)行數(shù)千次的精準(zhǔn)操作，它在每項(xiàng)任務(wù)中的失敗率就必須保持在很低的水平。”

　　在一次測(cè)試中，研究人員通過編程的方式 “命令” 它探索各種假設(shè)，以提高一種聚合光催化劑的性能。這個(gè)身高 1.75 米、重達(dá) 400 公斤的 “家伙” 在 8 天的時(shí)間里，工作了 192 個(gè)小時(shí)，進(jìn)行了 319 次移動(dòng)，自主完成了 6500 次實(shí)驗(yàn)操作和 668 個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，更令人驚訝的是，它成功研發(fā)出了一種 6 倍于現(xiàn)有催化劑活性的全新化學(xué)催化劑。

　　這一人類可能需要幾個(gè)月才能完成的任務(wù)，它只用了 2-3 天的時(shí)間。

　　停不下來的工作狂（來源：Nature）：https://v.qq.com/x/page/h3113m0cmjr.html

　　“機(jī)器人化學(xué)家” 如此厲害的原因在于，它具有一個(gè)智能的大腦和兩只靈活的雙手。

　　據(jù)論文描述，“機(jī)器人化學(xué)家” 借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立思考，并通過激光掃描和觸摸反饋來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，在給定需要檢驗(yàn)什么假設(shè)的情況下，選擇進(jìn)行哪種后續(xù)實(shí)驗(yàn)，以自主完成一系列的實(shí)驗(yàn)操作。

　　不只是 “化學(xué)家”

　　如今在庫(kù)珀看來，“機(jī)器人化學(xué)家” 已經(jīng)改變了他們的工作方式，它不僅僅是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的一臺(tái)機(jī)器，也是一個(gè)具有超強(qiáng)能力的團(tuán)隊(duì)成員，它可以為人類騰出多余時(shí)間來進(jìn)行創(chuàng)造性思考。

　　“我們要的是讓研究人員自動(dòng)化，而不是儀器自動(dòng)化。這創(chuàng)造了一定程度的靈活性，將改變我們的工作方式和我們可以解決的問題。”

　　那么，未來 “機(jī)器人化學(xué)家” 會(huì)不會(huì)完全取代實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的研究人員或在校學(xué)生？庫(kù)珀給出了否定的答案。

　　雖然目前這個(gè)機(jī)器人有一定的 “智力“，但所有的程序和調(diào)試都需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)人員設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)過程中如果出現(xiàn)故障，也需要實(shí)驗(yàn)人員去排除。

　　在不久的將來，機(jī)器人化學(xué)家將會(huì)是化學(xué)研究人員的有力幫手：機(jī)器人化學(xué)家將研究人員從簡(jiǎn)單機(jī)械的操作中解放出來，這樣研究人員能將時(shí)間放在創(chuàng)造性思考上。

　　圖｜“機(jī)器人化學(xué)家”的實(shí)驗(yàn)室及其實(shí)驗(yàn)設(shè)備（來源：Nature）

　　此外，據(jù)論文描述，“機(jī)器人化學(xué)家” 還可以解決目前超出我們能力范圍的規(guī)模和復(fù)雜性的問題。比如，它可以通過搜索廣闊的、未開發(fā)的化學(xué)空間，來尋找清潔能源生產(chǎn)來源或新藥配方。

　　“除了在化學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，它也有可能勝任許多生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。除此之外，一些有毒害、放射性環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)工作，它也非常適合去做。” 劉明說。

　　但是，他也承認(rèn)，目前的這個(gè)最初版本還有許多改進(jìn)空間。比如，如何進(jìn)一步降低成本？目前機(jī)器人能進(jìn)行催化劑測(cè)試實(shí)驗(yàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，怎么進(jìn)行更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作？如何引入視覺增強(qiáng)移動(dòng)性？如何讓多臺(tái)機(jī)器人合作？…... 如今，庫(kù)珀的團(tuán)隊(duì)正在對(duì)這個(gè)版本進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

　　商業(yè)化前景巨大，看好中國(guó)市場(chǎng)

　　談及商業(yè)化時(shí)，劉明對(duì)比了汽車制造和化學(xué)/材料研究?jī)蓚€(gè)領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模和潛力。“2015 年，全球汽車市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了 17,000 億美元，汽車制造業(yè)也已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)。反觀全球化工行業(yè)，2016 年的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了 52,000 億美元，但目前只有相當(dāng)少的部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，化學(xué)與材料領(lǐng)域的自動(dòng)化依然具有巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)。

　　對(duì)化學(xué)/材料研究領(lǐng)域來說，人工成本的支出仍是研究成本最大的支出部分。目前已有的自動(dòng)化方案非常昂貴，如前面提到的 Chemspeed 自動(dòng)合成儀要花費(fèi)上百萬人民幣，Labman 定制的化學(xué)自動(dòng)化平臺(tái)費(fèi)用高達(dá)幾千萬人民幣。相較而言，化學(xué)移動(dòng)機(jī)器人的解決方案有著巨大的成本優(yōu)勢(shì)。”

　　據(jù)美國(guó)科技新聞網(wǎng)站 The Verge 報(bào)道，庫(kù)珀教授如今已經(jīng)注冊(cè)了一個(gè)名為 Mobtics 的公司，致力于將此項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。

　　采訪的最后，劉明在談及中國(guó)市場(chǎng)時(shí)表示，“中國(guó)有非常強(qiáng)的機(jī)器人制造能力和完整的產(chǎn)業(yè)鏈，全球約 50% 的大宗化工產(chǎn)品在中國(guó)生產(chǎn)，中國(guó)化學(xué)、材料研究領(lǐng)域的自動(dòng)化蘊(yùn)藏了巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)，非常適合化學(xué)機(jī)器人項(xiàng)目的應(yīng)用與推廣。”

　　-End-

　　參考：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-020-2442-2

　　https://www.nature.com/articles/d41586-020-02030-z

　　https://news.liverpool.ac.uk/2019/06/07/nature-article-features-robot-chemist/

　　https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/uol-lrb070620.php

　　https://www.theverge.com/21317052/mobile-autonomous-robot-lab-assistant-research-speed

總結(jié)

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