NCSUの研究者：AIを備えた「人工化学者」は研究開発と製造をスピードアップする

「人工化学者によって実現される自律的な材料の研究開発は、材料開発と製造の未来を再形成できると信じています。」 – NCSU

ローリー – ノースカロライナ州立大学とバッファロー大学の研究者らは、商業的に望ましい材料の研究開発と製造を加速するために、人工知能（AI）と化学反応を実行する自動システムを組み込んだ「人工化学者」と呼ばれる技術を開発した。

研究者らは概念実証実験で、Artificial Chemist が 15 分以内にあらゆる色に最適な量子ドットを識別し、生成できることを実証しました。量子ドットはコロイド状の半導体ナノ結晶で、LED ディスプレイなどの用途に使用されます。

しかし研究者たちは、人工化学者は量子ドットだけでなく、あらゆる測定可能な特性を満たす最適な材料を特定できることにすぐに気づきました。

「人工化学者は、化学の世界を賢くナビゲートできる、真に自律的なシステムです」と、この研究の論文責任著者であり、ノースカロライナ州立大学の化学および生体分子工学の助教授であるミラド・アボルハサニ氏は言う。「現在、人工化学者は溶液処理材料用に設計されています。つまり、液体の化学前駆体を使用して作成できる材料に機能します。溶液処理材料には、量子ドット、金属/金属酸化物ナノ粒子、金属有機構造体 (MOF) などの高価値材料が含まれます。」

「人工化学者は自動運転車に似ていますが、自動運転車は、事前に選択した目的地に到達するために選択できるルートが少なくとも限られています。人工化学者では、最終的な材料に持たせたい特性である一連の望ましいパラメータを指定します。人工化学者は、化学前駆体が何であるか、合成ルートは何かなど、他のすべてを把握し、それらの化学前駆体の消費を最小限に抑える必要があります。

「最終的に、完全に自律的な材料開発技術が実現しました。この技術は、現在使用されているどの技術よりも迅速に理想的な溶液処理材料を見つけるのに役立つだけでなく、ごく少量の化学前駆体を使用してそれを実現します。これにより、廃棄物が大幅に削減され、材料開発プロセスのコストが大幅に削減されます。」

人工化学者には、実験を実行し、実験結果を感知するための「身体」と、そのデータを記録し、それを使用して次の実験を決定するための「脳」の両方があります。

概念実証テストのために、人工化学者の体は自動化された ナノクリスタルファクトリー そして ナノロボ アボルハサニ研究室で開発されたフロー合成プラットフォーム。人工化学者プラットフォームは、1 日に 500 件の量子ドット合成実験を実行できることが実証されていますが、アボルハサニ氏は 1,000 件まで実行できると見積もっています。

人工化学者の脳は、体内で合成される材料の特性を評価し、そのデータを使用して次の一連の実験条件について自律的に決定する AI プログラムです。その決定は、望ましい特性とパフォーマンス メトリックを備えた最適な材料構成に最も効率的に近づくと判断されたものに基づいて行われます。

「私たちは、人間が意思決定を行う際に使用するプロセスを、より効率的に模倣しようとしました」とアボルハサニ氏は言う。

たとえば、Artificial Chemist は「知識の転送」を可能にします。つまり、受信したすべてのリクエストから生成されたデータを保存し、次に処理する候補材料を特定するプロセスを迅速化します。つまり、Artificial Chemist は時間の経過とともに、適切な材料を特定する能力と速度が向上します。

研究者たちは概念実証のために、AI がデータをどのように使用して次の実験を決定するかについて、9 つの異なるポリシーをテストしました。次に、一連のリクエストを実行し、そのたびに、3 つの異なる出力パラメータに最適な量子ドット材料を特定するよう Artificial Chemist に依頼しました。

「事前の知識がなくても、25回の実験、つまり約1時間半で可能な限り最良の量子ドットを特定できるポリシーを見つけました」とアボルハサニ氏は言います。「しかし、Artificial Chemistが事前の知識を得ると、つまり1つ以上の対象材料の要求をすでに処理すると、10〜15分で新しい特性に最適な材料を特定できます。

「人工化学者は、与えられた一連の出発化学前駆体の材料特性の境界を迅速に特定できるため、化学者や材料科学者はさまざまな合成条件の探索に時間を無駄にする必要がないこともわかりました。

「人工化学者によって可能になった自律的な材料研究開発は、材料開発と製造の未来を一変させることができると信じています」とアボルハサニ氏は言う。「私は現在、この技術を研究室から産業部門に移管するのを手伝ってくれるパートナーを探しています。」

紙、 "人工化学者: 自律型量子ドット合成ボット』が雑誌に掲載されました 先端材料論文の第一著者は、ノースカロライナ州立大学の博士課程学生であるロバート・W・エップスです。論文は、ノースカロライナ州立大学の学部生マイケル・S・ボーエン、ノースカロライナ州立大学の博士課程学生アマンダ・A・ヴォルク、カミール・アブデル・ラティフ、スヨン・ハン、バッファロー大学の助教授クリストファー・レイエス、ノースカロライナ州立大学の材料科学および工学の准教授アラム・アマシアンによって共同執筆されました。

この研究は、UNC 研究機会イニシアチブ助成金および国立科学財団 (助成金番号 1902702) の支援を受けて行われました。

元の記事の出典: WRAL TechWire