NCSU 研究人員：人工智慧「人工化學家」將加速研發、製造

“我相信人工化學家實現的自主材料研發可以重塑材料開發和製造的未來。” – 北卡羅來納州立大學

羅利 – 北卡羅來納州立大學和布法羅大學的研究人員開發了一種名為「人工化學家」的技術，該技術結合了人工智慧（AI）和執行化學反應的自動化系統，以加速商業所需材料的研發和製造。

在概念驗證實驗中，研究人員證明人工化學家可以在 15 分鐘或更短的時間內識別並產生任何顏色的最佳量子點。量子點是膠體半導體奈米晶體，用於 LED 顯示器等應用。

然而，研究人員很快就注意到，人工化學家可以識別出滿足任何可測量特性的最佳材料，而不僅僅是量子點。

「人工化學家是一個真正自主的系統，可以智能地在化學宇宙中導航，」該研究論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學化學和生物分子工程系助理教授米拉德·阿博哈薩尼( Milad Abolhasani) 說。 「目前，Artificial Chemist 專為溶液加工材料而設計，這意味著它適用於可以使用液體化學前驅物製造的材料。溶液加工材料包括量子點、金屬/金屬氧化物奈米顆粒、金屬有機框架（MOF）等高價值材料。

「人工化學家類似於自動駕駛汽車，但自動駕駛汽車至少有有限條路線可供選擇，以到達預先選定的目的地。使用人工化學家，您可以為其提供一組所需的參數，這些參數是您希望最終材料具有的屬性。人工化學家必須弄清楚其他一切，例如化學前驅物是什麼以及合成路線是什麼，同時最大限度地減少這些化學前驅物的消耗。

「最終的結果是一種完全自主的材料開發技術，它不僅可以幫助您比目前使用的任何技術更快地找到理想的溶液加工材料，而且它只使用少量的化學前體。這大大減少了浪費，並使材料開發過程的成本大大降低。

人工化學家既有用於進行實驗並感知實驗結果的“身體”，也有用於記錄數據並使用它來確定下一個實驗的“大腦”。

為了進行概念驗證測試，人工化學家的身體結合了自動化 奈米晶工廠 和 奈米機器人 Abolhasani 實驗室開發的行動合成平台。 Artificial Chemist 平台已經證明它每天可以運行 500 個量子點合成實驗，儘管 Abolhasani 估計它可以運行多達 1,000 個。

人工化學家的大腦是一個人工智慧程序，它描述身體合成的材料的特徵，並使用這些數據自主決定下一組實驗條件。它的決策是基於其所確定的最有效地使其朝著具有所需特性和性能指標的最佳材料成分發展的方向。

「我們試圖模仿人類做出決策的過程，但效率更高，」阿博哈薩尼說。

例如，Artificial Chemist 允許“知識轉移”，這意味著它儲存收到的每個請求產生的數據，從而加快識別其任務的下一個候選材料的過程。換句話說，隨著時間的推移，人工化學家在識別正確材料方面會變得更加聰明、更快。

為了驗證概念，研究人員測試了九種不同的策略，以了解人工智慧如何使用數據來決定下一個實驗。然後，他們提出了一系列請求，每次都要求人工化學家找出最適合三種不同輸出參數的量子點材料。

「我們發現了一種策略，即使沒有先驗知識，也可以在 25 次實驗或大約一個半小時內識別出最好的量子點，」Abolhasani 說。 「但是，一旦人工化學家掌握了先驗知識（意味著它已經處理了一種或多種目標材料請求），它就可以在 10 到 15 分鐘內識別出具有新特性的最佳材料。

「我們發現人工化學家還可以快速識別一組給定的起始化學前體的材料特性邊界，這樣化學家和材料科學家就不需要浪費時間探索不同的合成條件。

「我相信人工化學家實現的自主材料研發可以重塑材料開發和製造的未來，」Abolhasani 說。 “我現在正在尋找合作夥伴來幫助我們將技術從實驗室轉移到工業領域。”

該論文“人工化學家：自主量子點合成機器人，」發表在雜誌上 先進材料。論文的第一作者是 Robert W. Epps，博士。北卡羅來納州立大學的學生。該論文由北卡羅來納州立大學本科生、北卡羅來納州立大學博士邁克爾·S·鮑文 (Michael S. Bowen) 共同撰寫。學生 Amanda A. Volk、Kameel Abdel-Latif 和 Suyong Han；克里斯多福‧雷耶斯 (Kristofer Reyes)，布法羅大學助理教授；以及北卡羅來納州立大學材料科學與工程系副教授 Aram Amassian。

這項工作是在北卡羅來納大學研究機會倡議撥款和國家科學基金會的支持下完成的，撥款號碼為 1902702。

原文來源： WRAL 技術線