Разработана самоуправляемая лаборатория с ИИ, многократно ускоряющая химические исследования


Наглядная иллюстрация понятия «проклятие размерности» / © Volk A.A., et al., Nature Communications, 2023 / Автор: Telestis Scaevinius

Многоступенчатый синтез химических соединений — по-настоящему трудоемкая область научных исследований. Нередко, чтобы разработать новый целевой материал или оптимизировать метод синтеза определенного химического вещества, требуется труд десятков специалистов на протяжении нескольких лет. При этом ученые сталкиваются с так называемым проклятием размерности: чем больше стадий и реагентов в реакции, тем экспоненциально больше времени уходит на перебор всех возможных параметров этой реакции — комбинаций и соотношений объемов и концентраций реагентов, времени их взаимодействия и так далее.

Поэтому вполне логичным направлением исследований стало использование методов машинного обучения с автоматизированными методами постановки экспериментов в химии и материаловедении, что привело к созданию «самоуправляемых лабораторий» (self-driving labs, SDL). Такие системы, управляемые нейросетевыми алгоритмами, способны исследовать и решать проблемы химии и материаловедения с невероятными скоростью и эффективностью. Нейронные сети здесь применяются для правильной обработки данных предыдущего эксперимента и выбора оптимальных параметров для постановки следующего.

Ранее созданные концепции SDL, включая целые лабораторные помещения, интегрированные с робототехникой и микрожидкостными реакционными системами, остаются узкоспециализированными под решение задач с хорошо изученными ограниченными пространствами параметров. Чтобы SDL получили действительно широкое распространение, технологии должны преодолеть два основных барьера при работе со сложными многостадийными химическими процессами: то самое проклятие размерности и нехватку данных.

Группа американских исследователей из Университета штата Северная Каролина и Университета Буффало попыталась решить эти проблемы и разработала AlphaFlow — SDL под управлением нейронной сети, обучающейся по методу обучения с подкреплением. Кроме того, AlphaFlow включает в себя модульные блоки обработки жидкости — высокоэффективные проточные микрофлюидные реакторы. Подробное описание своей разработки ученые изложили в статье, опубликованной в журнале Nature Communications. 

Краткая схема работы AlphaFlow / © Volk A.A., et al., Nature Communications, 2023

По словам авторов, AlphaFlow способна автономно и независимо исследовать, учиться и оптимизировать многоступенчатые реакции со сложностью пространства параметров, превышающей 40 измерений, в отличие от применяемых ранее хемоинформатических и ретросинтетических методов планирования экспериментов. В качестве демонстрации возможностей AlphaFlow изучила и оптимизировала последовательность реакций для синтеза квантовых точек с ядром из селенида кадмия и оболочкой из сульфида кадмия без какой-либо предварительной подготовки и знаний даже о правильной последовательности добавления реагентов.

«Мы показали, что AlphaFlow может проводить больше экспериментов, чем 100 химиков, за тот же период времени, при этом используя менее 0,01% соответствующих химикатов. Он эффективно миниатюризирует и ускоряет эксперименты, выполняет те же лабораторные операции, для которых потребовалась бы целая лаборатория экспериментальной химии. И все это — на платформе размером с чемодан. Чрезвычайно эффективно», — отметил последний автор статьи Милад Абольхасани (Milad Abolhasani), профессор химической и биомолекулярной инженерии в Университете штата Северная Каролина.

AlphaFlow имеет открытый исходный код, поскольку ученые считают важным делиться высококачественными, воспроизводимыми и стандартизированными экспериментальными данными — и удачными, и неудачными.

Сейчас исследователи ищут партнеров как в научном сообществе, так и в частном секторе, чтобы начать использовать AlphaFlow для решения широкого круга химических задач.


Source: https://lib.zaplata.ru/nauka/razrabotana-samoypravliaemaia-laboratoriia-s-ii-mnogokratno-yskoriaushaia-himicheskie-issledovaniia.html

Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
guest

В картине Рембрандта нашли необычное химическое соединение

В картине Рембрандта нашли необычное химическое соединение / ©Getty images / Автор: Caristania Fabricius Полотно «Ночной дозор», написанное...

Бутылки или банки: ученые оценили влияние тары на крафтовое пиво

©Tama Leaver, Flickr / Автор: Екатерина Лебедева Помимо воды и этанола, разные сорта пива содержат тысячи соединений, которые...

Пористые твердые кислоты превратят углекислый газ воздуха в топливо

©Exxentis / Автор: Cloelia Andronicus В последние годы химическая промышленность с все большим интересом присматривается к твердым кислотам....

Ученые собрали искусственную мышцу из природных белков

©Orion Pictures / Автор: Plinia Abito Ученые из Фрайбургского университета в Германии создали искусственную мышцу из эластина —...

Помидоры по-разному отреагировали на друзей и врагов

Куст помидоров / © pxhere.com / Автор: Cloelia Andronicus Исследователи активно изучают способы, которые позволяют растениям обмениваться информацией....

Наркоманов стало возможно выявить по отпечатку пальца

Наркоманов стало возможно выявить по отпечатку пальца / Автор: Pinaria Caprarius Команда ученых из Университета Суррея подробно описала,...

Криминалисты научились определять отпечатки пальцев, оставленные на бумаге до и после печати

©Loughborough University / Автор: Ирина Мельникова Если отпечатки пальцев подозреваемого обнаружили на важном для дела документе, ловкий преступник...

Ученые СФУ синтезировали и охарактеризовали два новых комплекса барбитуровой кислоты

Ученые СФУ синтезировали и охарактеризовали два новых комплекса барбитуровой кислоты / Автор: Иван Беляев Их химические свойства окажутся...

Старые игрушки мешают экономике замкнутого цикла

Хотя со старыми игрушками у родителей может быть связано немало приятных воспоминаний, давать их детям все же не...

Химики раскрыли еще один секрет скрипок Страдивари

Страдивари на гравюре XIX века / ©Wikimedia Commons / Автор: Lampronia Auxilius Антонио Страдивари из Кремоны считается непревзойденным...

В хрящах взрослых людей нашли признаки регенерации

Американские исследователи обнаружили следы обновления ткани в суставах ног у человека…Они измерили возраст внеклеточных белков в суставных хрящах...

Химики создали биоразлагаемые нетоксичные блестки

Биоразлагаемые нетоксичные блестки из наноцеллюлозы. / © Benjamin Droguet / Автор: Caristania Fabricius Тысячелетиями люди использовали блестящие пигменты,...

Создан «самый черный» материал на сегодняшний день

©Wikipedia / Автор: Sycophanta Duccius Предыдущий рекорд принадлежал материалу под названием vantablack. Он состоит из вертикально выровненных углеродных...

Съедобный биокомпозит на неделю продлил срок годности фруктов и ягод

Схема получения материала / © Ajayan, Rahman, Yung et al., Advanced Materials, 2020 / Автор: Sycophanta Duccius По...

Химики выяснили, что Влад Цепеш Дракула плакал кровавыми слезами

Влад Цепеш Дракула / ©Getty images / Автор: Ptolemocratia Acerronius Влад III Басараб, он же Влад Цепеш, он...

Химическая инъекция вернула к жизни отработанные литийионные аккумуляторы

С помощью специального реагента исследователи восстановили работу литийионных аккумуляторов / © Getty Images В современном мире литийионные аккумуляторы...

Ученые рассмотрели возможность зарождения жизни на безводных планетах

Вид Титана, спутника Сатурна, в ближнем инфракрасном диапазоне, демонстрирующий блики на углеводородных озерах на его поверхности / ©...

Ученые собрали молекулярную «роборуку» из ДНК

Захваты NanoGripper под микроскопом / ©Zhou et al., 2023 / Автор: Александр Литвинов Молекулы ДНК состоят из четырех...

Разработан простой процесс получения экологичного дезинфектанта из воды

Схема установки, предложенной учеными / © Murray, Voskian, Surendranath et al., Joule, 2019 / Автор: Ольга Кузьмина Пероксид...

Ученые создали цинковые «снежинки»

«Снежинки» из цинка по красоте не уступают водяным / © Waipapa Taumata Rau, University Of Auckland / Автор:...