NCSU-forskare: "Artificiell kemist" med AI kommer att påskynda FoU, tillverkning

"Jag tror att autonom material FoU som möjliggörs av artificiell kemist kan omforma framtiden för materialutveckling och tillverkning." – NCSU

RALEIGH – Forskare från North Carolina State University och University i Buffalo har utvecklat en teknik som kallas "Artificial Chemist", som innehåller artificiell intelligens (AI) och ett automatiserat system för att utföra kemiska reaktioner för att påskynda FoU och tillverkning av kommersiellt önskvärda material.

I proof-of-concept-experiment visade forskarna att artificiell kemist kan identifiera och producera bästa möjliga kvantprickar för vilken färg som helst på 15 minuter eller mindre. Kvantpunkter är kolloidala halvledarnanokristaller som används i applikationer som LED-skärmar.

Forskarna är dock snabba med att notera att artificiell kemist kan identifiera det bästa materialet för att uppfylla alla mätbara egenskaper – inte bara kvantprickar.

"Artificiell kemist är ett verkligt autonomt system som intelligent kan navigera genom det kemiska universum", säger Milad Abolhasani, motsvarande författare till en artikel om arbetet och biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik vid NC State. "För närvarande är Artificial Chemist designad för lösningsbearbetade material - vilket betyder att det fungerar för material som kan tillverkas med flytande kemiska prekursorer. Lösningsbearbetade material inkluderar högvärdiga material som kvantprickar, nanopartiklar av metall/metalloxid, organiska metallstrukturer (MOF) och så vidare.

"Den artificiella kemisten liknar en självkörande bil, men en självkörande bil har åtminstone ett begränsat antal vägar att välja mellan för att nå sin förvalda destination. Med Artificial Chemist ger du den en uppsättning önskade parametrar, vilket är de egenskaper du vill att det slutliga materialet ska ha. Artificiell kemist måste ta reda på allt annat, till exempel vad de kemiska prekursorerna kommer att vara och vad den syntetiska vägen kommer att vara, samtidigt som förbrukningen av dessa kemiska prekursorer minimeras.

"Slutresultatet är en helt autonom materialutvecklingsteknik som inte bara hjälper dig att hitta det idealiska lösningsbearbetade materialet snabbare än någon annan teknik som används för närvarande, utan den gör det med små mängder kemiska prekursorer. Det minskar avfallet avsevärt och gör materialutvecklingsprocessen mycket billigare.”

Den konstgjorda kemisten har både en "kropp" för att utföra experiment och känna av experimentresultaten, och en "hjärna" för att registrera dessa data och använda dem för att avgöra vad nästa experiment kommer att bli.

För deras proof-of-concept-testning, inkorporerade Artificial Chemists kropp den automatiserade Nanokristallfabrik och NanoRobo flödessyntesplattformar utvecklade i Abolhasanis labb. Artificial Chemist-plattformen har visat att den kan köra 500 kvantpricksyntesexperiment per dag, även om Abolhasani uppskattar att den kan köra så många som 1 000.

Den artificiella kemistens hjärna är ett AI-program som karaktäriserar de material som syntetiseras av kroppen och använder dessa data för att fatta autonoma beslut om vad nästa uppsättning experimentella förhållanden kommer att vara. Den baserar sina beslut på vad den bestämmer kommer att mest effektivt flytta den mot den bästa materialsammansättningen med önskade egenskaper och prestandamått.

"Vi försökte efterlikna den process som människor använder när de fattar beslut, men mer effektivt", säger Abolhasani.

Till exempel tillåter artificiell kemist "kunskapsöverföring", vilket innebär att den lagrar data som genereras från varje begäran den tar emot, vilket påskyndar processen att identifiera nästa kandidatmaterial som den har i uppdrag. Artificiell kemist blir med andra ord smartare och snabbare med tiden på att identifiera rätt material.

Som bevis på konceptet testade forskarna nio olika policyer för hur AI använder data för att avgöra vad nästa experiment kommer att bli. De körde sedan en rad förfrågningar och bad varje gång Artificiell kemist att identifiera ett kvantprickmaterial som passade bäst för tre olika utdataparametrar.

"Vi hittade en policy som, även utan förkunskaper, kunde identifiera den bästa möjliga kvantpunkten inom 25 experiment, eller ungefär en och en halv timme", säger Abolhasani. "Men när Artificial Chemist väl hade förkunskaper – vilket innebär att de redan hade hanterat en eller flera målmaterialförfrågningar – kunde den identifiera det optimala materialet för nya egenskaper på 10 till 15 minuter.

"Vi fann att artificiell kemist också snabbt kunde identifiera gränserna för materialegenskaper för en given uppsättning startkemiska prekursorer, så att kemister och materialforskare inte behöver slösa sin tid på att utforska olika syntesförhållanden.

"Jag tror att autonom material FoU som möjliggörs av artificiell kemist kan omforma framtiden för materialutveckling och tillverkning," säger Abolhasani. "Jag letar nu efter partners som hjälper oss att överföra tekniken från labbet till industrisektorn."

Pappret, "Artificiell kemist: En autonom kvantpricksyntesbot", publiceras i tidskriften Avancerade material. Första författare till uppsatsen är Robert W. Epps, en Ph.D. student vid NC State. Uppsatsen var medförfattare av NC State undergraduate Michael S. Bowen, NC State Ph.D. eleverna Amanda A. Volk, Kameel Abdel-Latif och Suyong Han; Kristofer Reyes, biträdande professor vid universitetet i Buffalo; och Aram Amassian, docent i materialvetenskap och teknik vid NC State.

Arbetet utfördes med stöd från ett UNC Research Opportunities Initiative-anslag och från National Science Foundation, under anslagsnummer 1902702.

Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire