午后1点,记者来到中国科学技术大学东校区物质科研楼,未到上班时间,楼里显得十分安静,可刚出电梯来到13层,便听到一阵阵激烈的讨论声。
“这段时间,‘小来’做实验收集了不少数据,需要系统梳理为后续研究奠定基础。”循声而去,办公室内,化学与材料科学学院江俊教授,正利用午休间隙与团队成员方天成商量着下一步的工作计划。“科研不分上下班,有了好的灵感,就要及时沟通。”江俊笑着说。
江俊口中的“小来”,并不是指某位科研人员,而是团队自主研发的全球首个集阅读文献、实验操作、材料开发等功能于一体的“全流程机器化学家”平台,该平台集成了2台移动机器人、19个智能化学工作站和高通量计算系统,简称为“机器化学家”。
与普通化学家相比,“小来”有何不同?在中国科大“机器化学家”实验室内,记者看到,科研人员输入指令程序后,机器人便开始穿梭于各个实验仪器前,抓取材料、配制试剂……各项专业操作得心应手。“传统化学研究范式,依靠‘试错法’、‘穷举法’,毫不夸张地讲,想要找到某一催化剂的最佳配比,可能需要很多年的时间。”江俊说,“而‘小来’通过融合大数据与人工智能,可以极大缩短这一过程的时间,提高研究效率。”
江俊与“机器化学家”的结缘,源于一次与学生的思维碰撞。
2011年底,从国外留学归来的江俊,入职中国科大化学与材料科学学院,继续致力于计算化学的研究。“理论计算很难去解决实际应用中的化学问题。”渐渐地,江俊发现自己通过理论计算设计的化学品,很难达到预期效果,“不仅自己信心受挫,还麻烦其他合作团队花费大量时间帮我验证。”江俊苦笑道。
彼时,江俊还担任着少年班学院的班主任,一次班会时间,他讲述了自己的苦恼,没想到,同学们的一段话提醒了他,“如果我们可以把大量的化学数据整合起来,形成一个大的数据库,那我们的工作就可以站在巨人肩膀上进行。”
江俊恍然大悟,“文献数据凝聚着前人的思考与计算,通过数据库集成众人智慧,必定会给科研带来帮助。”
说干就干,江俊开始组建团队,数学、化学、计算机等各个专业的同学纷纷加入,同时他还向计算机学院的老师们虚心请教。
江俊带着同学们一起,夜以继日,挨个给文献数据“打标签”,并开发智能文献阅读软件。“对于软件识别出来的数据,人工再去一遍遍校验,最终花了两年时间,数据库的雏形建成了,这算是‘小来’诞生的第一阶段。”江俊告诉记者,后续为了解决数据库只能停留在手动检索阶段,效率低且无法进行规模化统计的问题,团队成员们还突破技术难点,建立智能模型,用人工智能去处理数据、预测物质性能。
不过,静态数据库的局限性很快显露。基于过往数据建立的智能模型,精准度还不够,“我们决定要采集更多现场实验反馈的数据,但这一过程依靠人力去做,效率是很低的。”江俊与大家商量后,决定要用机器人去进行这一操作。
这一想法也得到了中国科大的大力支持。“学校批准为我们提供一间30平米的实验室以及300万经费,‘机器化学家’研制的最后一个阶段,就正式启动了。”江俊说。
然而,当江俊把从别的课题组借来的“雏形机器人”以及自己团队的化学仪器放进实验室后,原本宽敞的空间变得拥挤,连几把椅子都放不下,而且实验台的高度适合机器人操作,却不适合人类操作,大家就只能一边站着一边弯腰进行仪器自动化调试。
此时,江俊已经40岁出头,他面临一个巨大的挑战,就是如何对现有的“雏形机器人”进行改造,让其与各种化学仪器相适配,更好适应科研场景。
“逼得没办法,我一个学物理、化学专业出身的人,在年过四旬的时候,又要重头开始学自动化知识,对机器人进行改造。”回忆起这段经历,江俊有些激动。
那段时间,本身工作就很忙,江俊只好利用碎片化时间去“恶补”知识。午休时间、课间休息、甚至是在校门口等待孩子放学的间隙,江俊都会打开手机或书本,阅读相关资料。有一回,江俊原本要去外地出差,可看得太入迷,忘记了赶飞机的时间。“我的飞机退票率可高了。”江俊调侃道。
在江俊的影响下,团队成员也开始学习相关知识,并和自动化专业的同学们开联组会,放弃了很多周末休息时间。大家亲自上手,对机器人进行适配化改造,终于,2021年,机器化学家“小来”诞生了。
后续几年,“小来”在实验中的成功应用,帮助科研人员解决不少难题,这给了江俊团队很大信心。去年,升级版机器化学家“小临”出现在公众视野中。
“和‘小来’相比,‘小临’采用的是大模型管理,集成了文献阅读、实验设计、机器实验、模拟计算、迭代优化五个智能体,因此可以做到主动设计方案,并驱动理论和实验的数据生产,进而利用数据反馈优化实验方案。”江俊介绍。
与“小来”的诞生不同,这次,江俊将“小临”的主要研发工作,交给了团队里的年轻学生。“年轻人最大的特质在于不惧困难和挑战。当我们的研究要进入全新交叉领域,理解新的科学逻辑,或者遇到瓶颈,需要引入之前不懂的技术,他们不会觉得这是难题,而是会表现出一种遇到新知识、增长新能力的兴奋,所以反而能够轻松拿下新技术或进入新领域。”江俊说,“比如方天成,不仅在‘小临’研发过程中发挥重要作用,后续还利用‘小临’发现了一种新型高能电芯吸热热安全材料,是目前采用的气凝胶隔热材料效果的10-90倍,能大幅降低新能源电池发生燃烧的概率。”
谈及未来,江俊说道:“我们想要建设一个覆盖大部分化学材料研究实验的规模化平台,把中国科大化学与材料科学学院打造成一台‘智能计算机’,集成众多化学物质、超算资源、智能模型等,实现上千个智能化学任务的并发处理,为化学科学的突破与发展作出更大贡献。”