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人工智能加速基礎(chǔ)研究變革

來源：經(jīng)濟日報

近年來，新一代人工智能技術(shù)蓬勃發(fā)展，推動科研范式變革。一批科技工作者面向世界科技前沿，探索建立化學(xué)研究的精準(zhǔn)化、智能化雙驅(qū)動模式，并率先在機器化學(xué)家、離子膜、固態(tài)電解質(zhì)等領(lǐng)域取得創(chuàng)新和突破。


【資料圖】

形成全新研究范式

“我們希望有一個機器人可以代替人做實驗。”中科院精準(zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室主任李震宇告訴記者。如今，這個想法已經(jīng)變成現(xiàn)實。在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)機器化學(xué)家實驗室，重達(dá)200公斤的機器人“小來”取代了身穿白大褂的人類實驗員，伸出機械臂就可精確抓取樣品瓶配制試劑，完成各種實驗工作。

集閱讀文獻、自主設(shè)計實驗、材料開發(fā)于一體的“全流程機器化學(xué)家”平臺，其研發(fā)始于2014年。當(dāng)時，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)物理系教授江俊找來人工智能、電子科技、數(shù)學(xué)、化學(xué)等不同專業(yè)人才組成具有交叉學(xué)科背景的團隊，嘗試建立會思考的“化學(xué)大腦”。經(jīng)過多年努力打造的機器化學(xué)家“小來”，讓研究速度實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

“實驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理后輸入‘小來’的計算大腦，由人工智能模型幫助科研人員優(yōu)化實驗方案，可以大幅提升我們的效率。”江俊說。以研發(fā)高熵合金催化劑為例——閱讀1.6萬篇論文并自主遴選出5種非貴金屬元素，再從55萬種可能的金屬配比中找出最優(yōu)配方，“機器化學(xué)家”可將科研周期縮短至5周。

李震宇表示，傳統(tǒng)化學(xué)研究范式深度依賴“試錯法”，過程繁瑣、耗時冗長，化學(xué)反應(yīng)經(jīng)常產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，不環(huán)保、不經(jīng)濟、不安全。改變研究范式是社會環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展和化學(xué)學(xué)科本身發(fā)展的迫切需求。而通過人工智能加速實現(xiàn)精準(zhǔn)化研究，過程透明、機理清晰、全程可控，更高效環(huán)保。

不只是催化劑，還有新材料。前不久，《自然》雜志發(fā)表了一項重要成果，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文、楊正金團隊與合作者設(shè)計了一類新型離子膜——微孔框架聚合物離子膜，首次實現(xiàn)膜內(nèi)近似無摩擦的離子傳導(dǎo)，有望應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)化、大規(guī)模儲能以及分布式發(fā)電等領(lǐng)域。使用該膜組裝的液流電池，充放電電流密度可達(dá)到每平方厘米500毫安，是當(dāng)前普遍報道值的5倍以上。“傳統(tǒng)研究范式中，選擇制作合用的膜，就像大海撈針。有了人工智能工具的幫助，我們就能根據(jù)應(yīng)用場景所需要的分類精度，判斷這個膜需要具備什么性能，在通道中再進行精準(zhǔn)調(diào)控、修飾。”徐銅文說。

李震宇這樣形容化學(xué)研究范式的變革：“拿交通方式打比方，化學(xué)研究的初級階段就像步行；之后技術(shù)手段升級，相當(dāng)于坐上了自行車、摩托車、汽車；引入人工智能，好比坐上火箭，量變引起質(zhì)變，可以帶我們?nèi)ピ虑虻纫郧翱坎叫小⒆嚾ゲ涣说牡胤健！?/p>

科學(xué)家會被取代嗎

有了機器人，還需要人類科學(xué)家嗎？“這種擔(dān)憂完全沒有必要。好的工具會帶來更多可能性，我們能做更多事。”江俊說。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授姚宏斌的最新突破，就是一個電腦幫助人類做出更好科研成果的故事。今年4月初，姚宏斌課題組、李震宇課題組的研究成果發(fā)表在《自然》上，他們通過材料結(jié)構(gòu)和界面精準(zhǔn)設(shè)計，開發(fā)出鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新家族。

幾年前，在尋找鹵化物電解質(zhì)過程中，姚宏斌課題組考慮將石榴石氧化物——鋰鑭鋯氧中的“氧”換成“氯”。按傳統(tǒng)研究方法得在實驗室里一點點試錯，不僅慢還得碰運氣。為此，他想求助于計算機。2021年，姚宏斌錄取了一名既有材料科學(xué)專業(yè)背景、又有計算機編程基礎(chǔ)的研究生羅錦達(dá)，并找到計算化學(xué)方向的李震宇教授共同指導(dǎo)。在兩位教授的共同指導(dǎo)下，羅錦達(dá)寫出了可滿足研究需要的程序。之后，姚宏斌團隊和李震宇團隊聯(lián)合，根據(jù)計算機模擬結(jié)果設(shè)計出一個常溫條件下可以穩(wěn)定存在的鑭系金屬氯化物，又在實驗室成功合成出具有優(yōu)質(zhì)性能的鑭系金屬氯化物固態(tài)電解質(zhì)。

樣品出來后，如何解釋原理？團隊成員結(jié)合自己的實驗數(shù)據(jù)以及歷史上相關(guān)研究的海量實驗數(shù)據(jù)，讓計算機程序在超算中心去“跑”。經(jīng)過長時間計算模擬和分析，最終探明鑭系金屬鹵化物框架結(jié)構(gòu)的鋰離子傳導(dǎo)原理。

姚宏斌說：“模擬計算在這項研究中的分量，約占三分之一。沒有這三分之一，研究將無法令人滿意，因為我們可能無法在短時間內(nèi)尋找到最優(yōu)的電解質(zhì)材料，也不能把實驗現(xiàn)象背后的原理解釋清楚。”

未來需要什么樣的科研人才？“應(yīng)該具備扎實的基礎(chǔ)和開放的心態(tài)。”江俊表示，現(xiàn)在知識量已經(jīng)無比龐大，沒有人能看到全局，我們應(yīng)該找到自己喜歡的專業(yè)，把知識的脈絡(luò)看清楚；同時還要有開放的心態(tài)，敢于學(xué)習(xí)新東西。

“先進技術(shù)為人類探究更深層次的科學(xué)問題提供了更多可能性，但科學(xué)探究的邊界仍被人類對自然界的認(rèn)知和理解所限制。”姚宏斌則認(rèn)為，科研工作者需要不斷拓展認(rèn)知，才能更好地解釋大自然的奧秘。

培養(yǎng)更好的科研人工智能

國外也有會做實驗的機器人。2020年，利物浦大學(xué)研制的世界首個機器人化學(xué)家登上《自然》雜志封面，它可以在1周內(nèi)研究1000種催化劑配方，相當(dāng)于1個博士生4年的工作量。但這款機器人化學(xué)家沒有物理模型，沒有預(yù)見性，不能提出任何科學(xué)假設(shè)。

與之相比，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的“小來”是一個有“腦子”的機器人化學(xué)家。它“能學(xué)”，可閱讀海量文獻，學(xué)習(xí)化學(xué)知識；“能想”，可調(diào)用底層的物理模型，結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)進行思考和模擬計算；“能做”，可自主完成實驗，采集精準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)模擬計算結(jié)果，理實交融給出解決方案，形成科學(xué)研究閉環(huán)。

但“小來”的進化依然存在不少難點。算力算法不足，是現(xiàn)階段的痛點。江俊團隊自主研發(fā)了一款化學(xué)領(lǐng)域的聊天機器人程序ChemGPT。但因為GPU算力不足，ChemGPT“跑不快”，訓(xùn)練迭代很慢。

數(shù)據(jù)也有待豐富和優(yōu)化。“人工智能需要學(xué)習(xí)大量數(shù)據(jù)，但其實我們很缺數(shù)據(jù)。”江俊說。現(xiàn)階段大部分科研數(shù)據(jù)都從文獻中收集，而文獻中的數(shù)據(jù)常常是被“美化”過的理想數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)存研究數(shù)據(jù)來源多且雜，數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，人工智能從這些數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，就可能學(xué)到錯誤的東西。

“精準(zhǔn)化學(xué)依賴實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。”李震宇表示，應(yīng)該從精準(zhǔn)數(shù)據(jù)出發(fā)獲得高質(zhì)量的化學(xué)智能，有了化學(xué)智能再回過頭來對化學(xué)反應(yīng)、材料性質(zhì)等實施精準(zhǔn)調(diào)控，形成完整的研究閉環(huán)。

科學(xué)家們對更好的科研人工智能充滿期待。“我們希望將精準(zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室建設(shè)成一個精準(zhǔn)智能化學(xué)領(lǐng)域的國際頂尖研究機構(gòu)，形成一個新的精準(zhǔn)智能化學(xué)研究范式，建立我國主導(dǎo)的精準(zhǔn)化學(xué)數(shù)據(jù)體系和智能化學(xué)的軟硬件標(biāo)準(zhǔn)。”李震宇說。 （經(jīng)濟日報記者 佘惠敏）

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