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材料是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)，為了保障國家關(guān)鍵材料安全和可靠供應(yīng)，2020 年美國政府曾頒布行政令，通過政府資助，開發(fā)關(guān)鍵材料的替代材料，確保關(guān)鍵材料供應(yīng)多樣化。在我國，材料供應(yīng)形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻。中科院院士、中科院物理研究所極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任汪衛(wèi)華曾在 《中國科學(xué)報(bào)》 接受采訪時(shí)表示：「我國很多關(guān)鍵材料并不能完全自給，因此希望通過先進(jìn)的理念推動(dòng)材料應(yīng)用的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化�！�

然而，我國傳統(tǒng)的材料研發(fā)模式主要依賴 “反復(fù)試驗(yàn)” 或偶然性的直覺發(fā)現(xiàn)，研發(fā)過程一般長達(dá) 10 – 20 年，加上化學(xué)的復(fù)雜性以及不同成分組合的可能性變得越來越大，這種試錯(cuò)的方法變得越不實(shí)用，在很大程度上已經(jīng)無法滿足 21 世紀(jì)強(qiáng)國崛起對(duì)新材料的需求。除此之外，根據(jù) 《材料科學(xué)》 雜志一項(xiàng)關(guān)于新材料商業(yè)化的研究表明，新材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的時(shí)間平均在10年以上，技術(shù)和市場的不確定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生物技術(shù)和軟件技術(shù)，這些因素也影響到了新材料的研發(fā)和技術(shù)的提升。

但隨著信息科技的逐漸成熟，人類通過理論計(jì)算或人工智能發(fā)現(xiàn)新材料成為可能，再配合高通量篩選、合成、制備等技術(shù)，大大提高材料發(fā)現(xiàn)的效率，而且人工智能于理解與發(fā)現(xiàn)各種材料的合成參數(shù)與性能間的關(guān)聯(lián)帶來極大幫助。

“AI ＋ 高通量” 化合物篩選、合成成為現(xiàn)代研發(fā)新趨勢(shì)

近年來，由于自動(dòng)化的崛起，高通量篩選 （High throughput screening， HTS） 技術(shù)變得不再陌生。目前，高通量篩選已成為化工企業(yè)普遍采用的一種新材料發(fā)現(xiàn)技術(shù)。通過高通量實(shí)驗(yàn)方法，可以加快材料篩選和合成，減少耗時(shí)費(fèi)力的 “試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)”；通過高通量材料篩選技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確地獲取材料研發(fā)過程中的一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)，用于準(zhǔn)確指導(dǎo)后續(xù)的工藝優(yōu)化及放大合成過程。通過高通量技術(shù)發(fā)展和完善材料數(shù)據(jù)庫 ／ 信息學(xué)工具，更可以有效管理與利用材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用全過程的數(shù)據(jù)鏈。

在建立完善的數(shù)據(jù)庫的同時(shí)，利用大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和挖掘，實(shí)現(xiàn) “數(shù)據(jù)智能”。利用 “數(shù)據(jù)智能”，又可以返回來給材料研發(fā)提供指導(dǎo)，使研發(fā)過程朝更有希望成功的方向進(jìn)行，并幫助研發(fā)人員解決瓶頸問題，縮短新型材料研發(fā)的周期，進(jìn)而加快了整個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)程，因此高通量技術(shù)和人工智能的結(jié)合應(yīng)用無疑是對(duì)材料科學(xué)生產(chǎn)力發(fā)展的一次飛躍式提升。

力揚(yáng)企業(yè)引入的 Chemspeed 自動(dòng)化平臺(tái)正是將人工智能 （AI）、自動(dòng)化和高通量篩選技術(shù)結(jié)合在一起，加速了新型材料篩選、合成的步驟。為了讓大家對(duì)新一代的材料開發(fā)有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，在這里會(huì)分享多倫多大學(xué)Alá n Aspuru－Guzik 教授如何通過將理論計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)和 Chemspeed 自動(dòng)化工作流程解決方案相結(jié)合，突破了自主實(shí)驗(yàn)室工作的界限。

Chemspeed 自動(dòng)化高通量平臺(tái)以卓越性能加速新材料發(fā)現(xiàn)

耶拿·弗里德里�！は�勒大學(xué)（Friedrich Schiller University Jena）（簡稱耶拿大學(xué)） 的有機(jī)和大分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)室通過引進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)，通過高通量技術(shù)為快速研究聚合參數(shù)、以及構(gòu)建聚合物庫提供了可靠的實(shí)驗(yàn)方案，并可以針對(duì)不同應(yīng)用對(duì)聚合物進(jìn)行快速篩選及合成，使得實(shí)驗(yàn)效率大幅提升。其中，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的 Chemspeed 自動(dòng)化平臺(tái)是耶拿大學(xué)進(jìn)行前沿聚合物和材料研究的重要推動(dòng)力。

「自動(dòng)化合成平臺(tái)使我們能夠在時(shí)間、速度或聚合物等科學(xué)新知識(shí)方面獲得 5 － 10 倍的提升。結(jié)合先進(jìn)的表征技術(shù)，Chemspeed 平臺(tái)闡明了聚合物結(jié)構(gòu)–性能–關(guān)系的關(guān)鍵技術(shù)�！关�(fù)責(zé)該實(shí)驗(yàn)室的Ulrich S． Schubert 教授說。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，Chemspeed 的 FLEXSHUTTLE 發(fā)揮了關(guān)鍵作用。FLEXSHUTTLE 是一個(gè)智能化，全自動(dòng)化的研發(fā)工廠，對(duì)傳統(tǒng)研發(fā)方式進(jìn)行革命性的改變。它可以自由連接不同功能的工作站 （FLEX） 平臺(tái)，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)流程任意組合。無與倫比的設(shè)計(jì)使產(chǎn)品開發(fā)效率顯著提高，同時(shí)兼顧最高效率和最大易用性的特點(diǎn)，幫助耶拿大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)人員突破材料研發(fā)過程中的種種瓶頸，實(shí)現(xiàn)研發(fā)效率 5 – 10 倍的提升。

另外，來自多倫多大學(xué)的 AI for Discovery and Self－Driving Labs 研究小組，為了推動(dòng)實(shí)現(xiàn) “將發(fā)現(xiàn)新功能材料或優(yōu)化已知功能材料所需的時(shí)間和花費(fèi)減少 10 倍的目標(biāo)”，即從 1000 萬美元和 10 年的開發(fā)時(shí)間 ／ 花費(fèi)減少到 100 萬美元和 1 年，負(fù)責(zé)人 Alán Aspuru－Guzik 教授結(jié)合了來自瑞士的 Chemspeed 自動(dòng)化平臺(tái)及人工智能技術(shù)，通過計(jì)算模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)，理論計(jì)算得到合適范圍內(nèi)的候選分子，再利用高通量的設(shè)備進(jìn)行樣品的制備、合成、工藝開發(fā)、配方、應(yīng)用或測(cè)試，從而提高新材料的研發(fā)效率。

以合成為例，Chemspeed ISYNTH 自動(dòng)化合成平臺(tái)不但能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的化合物庫合成， 專利的模塊化工具及反應(yīng)器還可以讓用戶實(shí)現(xiàn)平行合成 ／ 組合合成的不同工作流程，包括反應(yīng)制備、多步合成、后處理、純化、分析以及將產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)容器中。

同時(shí)，加速聯(lián)盟 （The Acceleration Consortium， AC） 作為全球材料科學(xué)創(chuàng)新中心，在 Alán Aspuru－Guzik 教授的帶領(lǐng)下，也積極采用人工智能和自動(dòng)化技術(shù)來加速設(shè)計(jì)及發(fā)現(xiàn)尚未存在的材料。

AC 擁有來自多倫多大學(xué)和世界各地的 50多名頂尖研究人員，合作伙伴也包括Chemspeed Technologies、CIFAR、Creative Destruction Lab，加拿大國家研究院 （National Research Council of Canada）、加拿大自然資源 （Natural Resources Canada）、SLAS 和 Vector Institute等。其中Chemspeed 為 AC 提供了全套的實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化技術(shù)。據(jù)美洲運(yùn)營主管 Diana Curran 表示：「加速聯(lián)盟對(duì)推進(jìn)材料研究至關(guān)重要。采用自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的高通量并行化實(shí)驗(yàn)是這項(xiàng)工作的關(guān)鍵要素。我們的自動(dòng)化解決方案是此次合作中利用的創(chuàng)新技術(shù)之一�！�

隨著世界競爭格局的不斷加劇，減少在合成和篩選方面的時(shí)間和投入，降低風(fēng)險(xiǎn)，以研制出高質(zhì)量、高效用及突破性的新材料，是化工企業(yè)立于不敗之地的關(guān)鍵�！癆I ＋ 高通量”的篩選、合成模式為加速新材料研發(fā)提供了有效的解決方法，未來，力揚(yáng)企業(yè)也期待和更多的合作伙伴一起尋找更多優(yōu)秀的解決方案，助力新材料研發(fā)。