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8天完成688次實驗,機器人研究員獨立發現催化劑

原標題:8天完成688次實驗,機器人研究員獨立發現催化劑

機器之心報道

參与:澤南、張倩

今天也要做實驗嗎?不必了,現在有機器人可以幫忙。

在化學、生物等領域,不少研究生的生活可以被形容為「7-11」:一周工作 7 天,每天 11 個小時。很多學生需要每天早上八九點來到組裡,晚上十點才能離開,周末則是開組會的時間。

近日,來自利物浦大學的研究者開發了一款「007」機器人,一天二十幾個小時都泡在實驗室里,8 天就能完成 688 個實驗,還自己發現了一種高效催化劑,就問你怕不怕?

昨天,這款機器人登上了最新一期《自然》雜誌封面。

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在化學實驗室里,自動化技術正在興起,但迄今為止我們所說的「自動化」還僅限於一些儀器和定製界面,讓部分機械與設備協同工作。利物浦大學的 Andrew Cooper 等人最近使用汽車生產過程中流水線上的工業機器人在濕化學實驗室中實現了和人類一樣的工作能力。現在,機器人可以使用和人類一樣的工具做實驗了。

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據介紹,這一團隊對機器人進行編程,研究了提高聚合物光催化性的能力。在八天的時間里,機器人自動進行了多達 43 批,688 次實驗,並找到了活性比初始配方高六倍的光催化劑混合物——如果讓人類做同樣的事需要花費數月之久。

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這款機器人身高 1.75 米,和人的個頭差不多,使用的實驗設備也和人類相差無幾。但它的優勢在於,即使每天都泡在實驗室它也不會抑鬱,24 個小時里有 21.5 小時都拿來工作,剩下 2.5 個小時拿來充電。與其他化學機器人相比,這款機器人的靈活度大大提高,可以在實驗室隨意走動。

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機器人研究員進行的首個實驗,目標是確定一種不會不可逆分解的生物來源清除劑,而長期目標則是開發可逆的氧化還原對。實驗團隊選擇的光催化劑是 P10,這是一種在 TEOA28 存在下顯示出良好 HER 的共軛聚合物。

在這裏,除了專門為該實驗流程而構建的加蓋站和光解站之外,其他的實驗步驟都使用了常規的商業儀器,沒有對物理硬體進行任何修改:在整個實驗過程中,機器人以與人類研究人員基本相同的方式來操作它們。

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在硬體方面,這款機器人藉助激光掃描和觸覺反饋與外界進行交互。

在軟體方面,這款機器人使用搜索演算法,在超過 9800 萬個試驗候選中進行十維空間導航,根據前一個實驗的結果決定下一步做法。通過這樣的做法,它在沒有人類團隊成員指導的情況下自動發現了活性提高了六倍的催化劑。8 天內共計完成了 172 小時的工作,移動 319 次,操作 6500 次,在實驗室里的行程達 2.17 公里。

在找到高效催化劑的過程中,所有的實驗任務都是由它獨立完成的,如稱重、配液、抽出容器中的空氣、進行催化反應、計量反應產物等。

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機器人正在進行的一系列實驗流程。

利物浦大學的博士生 Benjamin Burger 負責對機器人進行編程,他表示:「最大的挑戰是讓整個系統具有魯棒性。要想讓機器人在很多天里平穩自動工作,進行數千次精細操作,每次任務的失敗概率必須非常低。而一旦體系構建完成,機器人在工作時犯錯的概率可要比人類低很多。」

由於實驗室里的所有站點都裝有 24 小時工作的攝像頭,絕大多數時間里實驗過程都不需要有人進行看管,如有出錯遠程重啟就可以了。

該項目是由利物浦大學化學和材料系的安德魯 · 庫珀(Andrew Cooper)教授領導的,他表示:「與其讓試驗器械自動化,我們的策略是讓實驗者本身自動化起來。這就可以實現很大程度上的靈活性,讓我們工作的方式更加自由。它不僅僅是實驗室里的一台儀器:而是一個有超能力的團隊成員,它為人類研究人員騰出了思考所用的時間。」

最後研究人員還表示,目前的設計是在機器人電量低於 25% 時,在兩個作業之間自動進行充電。但由於有些時候還需要等待實驗結果,所以在這次實驗中機器人有電,但處於暫停狀態的時間占 32%(主要是在等待氣相色譜儀分析結果)。

所以理論上「機器人研究員」的工作效率還可以繼續提高。

利物浦大學的研究人員開源了實驗室站點的設計:

https://bitbucket.org/ben_burger/kuka_workflow

機器人工作代碼:

https://github.com/Taurnist/kuka_workflow_tantalus

參考內容:

https://phys.org/news/2020-07-robot-scientist-catalyst.html

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2442-2

原標題:《工作007,8天完成688次實驗,獨立發現催化劑:機器人研究員登上Nature封面》