NCSU 研究人员：人工智能“人工化学家”将加速研发、制造

“我相信人工化学家实现的自主材料研发可以重塑材料开发和制造的未来。” – 北卡罗来纳州立大学

罗利 – 北卡罗来纳州立大学和布法罗大学的研究人员开发了一种名为“人工化学家”的技术，该技术结合了人工智能（AI）和执行化学反应的自动化系统，以加速商业所需材料的研发和制造。

在概念验证实验中，研究人员证明人工化学家可以在 15 分钟或更短的时间内识别并生产出任何颜色的最佳量子点。量子点是胶体半导体纳米晶体，用于 LED 显示器等应用。

然而，研究人员很快注意到，人工化学家可以识别出满足任何可测量特性的最佳材料，而不仅仅是量子点。

“人工化学家是一个真正自主的系统，可以智能地在化学宇宙中导航，”该研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程助理教授米拉德·阿博哈萨尼 (Milad Abolhasani) 说。 “目前，Artificial Chemist 专为溶液加工材料而设计，这意味着它适用于可以使用液体化学前体制造的材料。溶液加工材料包括量子点、金属/金属氧化物纳米颗粒、金属有机框架（MOF）等高价值材料。

“人工化学家类似于自动驾驶汽车，但自动驾驶汽车至少有有限条路线可供选择，以到达预先选定的目的地。使用人工化学家，您可以为其提供一组所需的参数，这些参数是您希望最终材料具有的属性。人工化学家必须弄清楚其他一切，例如化学前体是什么以及合成路线是什么，同时最大限度地减少这些化学前体的消耗。

“最终的结果是一种完全自主的材料开发技术，它不仅可以帮助您比目前使用的任何技术更快地找到理想的溶液加工材料，而且它只使用少量的化学前体。这大大减少了浪费，并使材料开发过程的成本大大降低。”

人工化学家既有用于进行实验并感知实验结果的“身体”，也有用于记录数据并使用它来确定下一个实验的“大脑”。

为了进行概念验证测试，人工化学家的身体结合了自动化 纳米晶工厂 和 纳米机器人 Abolhasani 实验室开发的流动合成平台。 Artificial Chemist 平台已经证明它每天可以运行 500 个量子点合成实验，尽管 Abolhasani 估计它可以运行多达 1,000 个。

人工化学家的大脑是一个人工智能程序，它可以表征身体合成的材料，并使用这些数据自主决定下一组实验条件。它的决策基于它所确定的最有效地使其朝着具有所需特性和性能指标的最佳材料成分发展的方向。

“我们试图模仿人类做出决策的过程，但效率更高，”阿博哈萨尼说。

例如，Artificial Chemist 允许“知识转移”，这意味着它存储收到的每个请求生成的数据，从而加快识别其任务的下一个候选材料的过程。换句话说，随着时间的推移，人工化学家在识别正确材料方面会变得更加聪明、更快。

为了验证概念，研究人员测试了九种不同的策略，以了解人工智能如何使用数据来决定下一个实验。然后，他们提出了一系列请求，每次都要求人工化学家找出最适合三种不同输出参数的量子点材料。

“我们发现了一种策略，即使没有先验知识，也可以在 25 次实验或大约一个半小时内识别出最好的量子点，”Abolhasani 说。 “但是，一旦人工化学家掌握了先验知识，即它已经处理了一种或多种目标材料请求，它就可以在 10 到 15 分钟内识别出具有新特性的最佳材料。

“我们发现人工化学家还可以快速识别一组给定的起始化学前体的材料特性边界，这样化学家和材料科学家就不需要浪费时间探索不同的合成条件。

“我相信人工化学家实现的自主材料研发可以重塑材料开发和制造的未来，”Abolhasani 说。 “我现在正在寻找合作伙伴来帮助我们将技术从实验室转移到工业领域。”

该论文“人工化学家：自主量子点合成机器人，”发表在杂志上 先进材料。该论文的第一作者是 Robert W. Epps，博士。北卡罗来纳州立大学的学生。该论文由北卡罗来纳州立大学本科生、北卡罗来纳州立大学博士迈克尔·S·鲍文 (Michael S. Bowen) 共同撰写。学生 Amanda A. Volk、Kameel Abdel-Latif 和 Suyong Han；克里斯托弗·雷耶斯 (Kristofer Reyes)，布法罗大学助理教授；以及北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系副教授 Aram Amassian。

这项工作是在北卡罗来纳大学研究机会倡议拨款和国家科学基金会的支持下完成的，拨款号为 1902702。

原文来源： WRAL 技术线