NCSU-forskere: 'Kunstig kemiker' med kunstig intelligens vil fremskynde forskning og udvikling, fremstilling

"Jeg tror på, at autonome materialer R&D aktiveret af Artificial Chemist kan omforme fremtiden for materialeudvikling og -fremstilling." – NCSU

RALEIGH – Forskere fra North Carolina State University og University at Buffalo har udviklet en teknologi kaldet "Artificial Chemist", som inkorporerer kunstig intelligens (AI) og et automatiseret system til at udføre kemiske reaktioner for at accelerere F&U og fremstilling af kommercielt ønskværdige materialer.

I proof-of-concept-eksperimenter viste forskerne, at Artificial Chemist kan identificere og producere de bedst mulige kvanteprikker for enhver farve på 15 minutter eller mindre. Kvanteprikker er kolloide halvleder nanokrystaller, som bruges i applikationer som LED-skærme.

Forskerne er dog hurtige til at bemærke, at Artificial Chemist kan identificere det bedste materiale til at opfylde enhver række af målbare egenskaber - ikke kun kvanteprikker.

"Artificial Chemist er et virkelig autonomt system, der intelligent kan navigere gennem det kemiske univers," siger Milad Abolhasani, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og en assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NC State. "I øjeblikket er Artificial Chemist designet til opløsningsforarbejdede materialer - hvilket betyder, at det fungerer for materialer, der kan fremstilles ved hjælp af flydende kemiske prækursorer. Opløsningsforarbejdede materialer omfatter materialer af høj værdi, såsom kvanteprikker, metal/metaloxidnanopartikler, organiske metalstrukturer (MOF'er) og så videre.

"Den kunstige kemiker ligner en selvkørende bil, men en selvkørende bil har i det mindste et begrænset antal ruter at vælge imellem for at nå sin forudvalgte destination. Med Artificial Chemist giver du den et sæt ønskede parametre, som er de egenskaber, du ønsker, at det endelige materiale skal have. Kunstig kemiker skal finde ud af alt andet, såsom hvad de kemiske prækursorer vil være, og hvad den syntetiske rute vil være, samtidig med at forbruget af disse kemiske prækursorer minimeres.

"Slutresultatet er en fuldstændig autonom materialeudviklingsteknologi, der ikke kun hjælper dig med at finde det ideelle løsningsbearbejdede materiale hurtigere end nogen teknik, der er i brug i øjeblikket, men den gør det ved hjælp af små mængder kemiske prækursorer. Det reducerer spild markant og gør materialeudviklingsprocessen meget billigere."

Den kunstige kemiker har både en "krop" til at udføre eksperimenter og sanse de eksperimentelle resultater, og en "hjerne" til at registrere disse data og bruge dem til at bestemme, hvad det næste eksperiment vil være.

Til deres proof-of-concept testning inkorporerede Artificial Chemists krop det automatiserede Nanokrystalfabrik og NanoRobo flowsynteseplatforme udviklet i Abolhasanis laboratorium. Artificial Chemist-platformen har vist, at den kan køre 500 kvantepriksynteseeksperimenter om dagen, selvom Abolhasani anslår, at den kan køre så mange som 1.000.

Den kunstige kemikers hjerne er et AI-program, der karakteriserer de materialer, der syntetiseres af kroppen og bruger disse data til at træffe autonome beslutninger om, hvad det næste sæt af eksperimentelle forhold vil være. Den baserer sine beslutninger på, hvad den bestemmer, der mest effektivt vil flytte den mod den bedste materialesammensætning med de ønskede egenskaber og ydeevnemålinger.

"Vi forsøgte at efterligne den proces, som mennesker bruger, når de træffer beslutninger, men mere effektivt," siger Abolhasani.

For eksempel tillader kunstig kemiker "vidensoverførsel", hvilket betyder, at den gemmer data genereret fra hver anmodning, den modtager, hvilket fremskynder processen med at identificere det næste kandidatmateriale, den har til opgave. Artificial Chemist bliver med andre ord klogere og hurtigere med tiden til at identificere det rigtige materiale.

For deres proof of concept testede forskerne ni forskellige politikker for, hvordan AI bruger data til at beslutte, hvad det næste eksperiment vil være. De kørte derefter en række anmodninger, hver gang de bad Artificial Chemist om at identificere et kvantepunktmateriale, der passede bedst til tre forskellige outputparametre.

"Vi fandt en politik, der selv uden forudgående viden kunne identificere den bedst mulige kvanteprik inden for 25 eksperimenter eller omkring halvanden time," siger Abolhasani. "Men når Artificial Chemist havde forhåndsviden - hvilket betyder, at den allerede havde håndteret en eller flere målmaterialeanmodninger - kunne den identificere det optimale materiale til nye egenskaber på 10 til 15 minutter.

"Vi fandt ud af, at kunstig kemiker også hurtigt kunne identificere grænserne for materialeegenskaber for et givet sæt af startkemiske prækursorer, så kemikere og materialeforskere ikke behøver at spilde deres tid på at udforske forskellige synteseforhold.

"Jeg tror på, at autonome materialer R&D aktiveret af Artificial Chemist kan omforme fremtiden for materialeudvikling og -fremstilling," siger Abolhasani. "Jeg leder nu efter partnere til at hjælpe os med at overføre teknikken fra laboratoriet til den industrielle sektor."

Papiret, "Artificial Chemist: An Autonomous Quantum Dot Synthesis Bot", er publiceret i tidsskriftet Avancerede materialer. Første forfatter af papiret er Robert W. Epps, en Ph.D. studerende ved NC State. Artiklen var medforfatter af NC State bachelor Michael S. Bowen, NC State Ph.D. studerende Amanda A. Volk, Kameel Abdel-Latif og Suyong Han; Kristofer Reyes, en assisterende professor ved universitetet i Buffalo; og Aram Amassian, en lektor i materialevidenskab og teknik ved NC State.

Arbejdet blev udført med støtte fra et UNC Research Opportunities Initiative-bevilling og fra National Science Foundation, under bevillingsnummer 1902702.

Original artikelkilde: WRAL TechWire