可持續(xù)化學(xué)和工藝的未來:人工智能、數(shù)據(jù)和硬件的融合

2022-10-31 11:24 作者:上海曼森生物 0人讀過 | 我要投稿

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01/引言

02/通過增材制造和在線監(jiān)測實現(xiàn)的智能物理系統(tǒng)

03/人工智能和在線監(jiān)測的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

04/未來前景和機(jī)遇

? ?1.高度集成的系統(tǒng)

? ?2.面向服務(wù)的端到端同步和自進(jìn)化系統(tǒng)平臺?

? ?3.逆向設(shè)計

? ?4.自動科學(xué)發(fā)現(xiàn)

05/結(jié)論

編者按

本期推文主要編譯整理了 Xin YeeTai 等發(fā)表在 Energy and AI 的綜述《可持續(xù)化學(xué)和工藝的未來:人工智能、數(shù)據(jù)和硬件的融合》（The future of sustainable chemistry and process: Convergence of artificial intelligence, data and hardware）。論述了在工業(yè) 4.0 的背景下，可持續(xù)的化學(xué)過程可能會成為一個智能實驗室，將網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)與先進(jìn)的人工智能和穩(wěn)健的檢測技術(shù)連接起來。它還將創(chuàng)建一個閉環(huán)系統(tǒng)，包括合作和協(xié)調(diào)機(jī)器、自我決策系統(tǒng)、自主問題解決和學(xué)習(xí)系統(tǒng)。此外，還討論了閉環(huán)系統(tǒng)在可持續(xù)化學(xué)過程中的發(fā)展前景和關(guān)鍵挑戰(zhàn)

可再生能源發(fā)電和綠色合成的可持續(xù)化學(xué)是一個及時的研究課題，其愿景是在不損害子孫后代的情況下滿足當(dāng)前需求。在工業(yè) 4.0 時代，可持續(xù)化學(xué)和過程正經(jīng)歷著從連續(xù)流系統(tǒng)到下一層級操作的劇烈轉(zhuǎn)變，例如通過將人工智能、數(shù)據(jù)和硬件集成到網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)中的協(xié)作和協(xié)調(diào)機(jī)器、自決策系統(tǒng)、自主和自動問題解算器。由于物理空間和網(wǎng)絡(luò)空間之間缺乏融合，開環(huán)系統(tǒng)面臨著數(shù)據(jù)隔離、周期時間慢和資源管理不足等挑戰(zhàn)。新興的研究致力于加速這些循環(huán)，通過增材制造、內(nèi)置在線監(jiān)測和人工智能減少多步驟過程和實時表征之間的時間。最終目標(biāo)是同時提出可持續(xù)化學(xué)過程中的工藝配方、流程合成和分子表征，每個步驟同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這一過程被稱為“閉環(huán)”，它將潛在地創(chuàng)建一個具有高度集成系統(tǒng)的未來實驗室，并生成一個面向服務(wù)的平臺，用于端到端同步、自進(jìn)化、反向分子設(shè)計和自動科學(xué)發(fā)現(xiàn)。該觀點提供了一種方法，分別通過人工智能和增材制造，結(jié)合內(nèi)置在線監(jiān)測，分別理解網(wǎng)絡(luò)和物理系統(tǒng)。此外，還討論了閉環(huán)系統(tǒng)在可持續(xù)化學(xué)過程中的發(fā)展前景和關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

01 引言

可持續(xù)化學(xué)過程是一個科學(xué)概念，它尋求在不犧牲資源和環(huán)境的前提下滿足當(dāng)前的需求。近年來，連續(xù)流化學(xué)的發(fā)展勢頭日益強(qiáng)勁，從基本的實驗室技術(shù)發(fā)展到實踐中復(fù)雜的多步驟工藝。與傳統(tǒng)的間歇系統(tǒng)相比，它具有攪拌快、傳熱快、反應(yīng)時間控制有效、對有毒和高活性化學(xué)品實驗安全等優(yōu)點。此外，連續(xù)流化學(xué)可以更快地發(fā)現(xiàn)綠色化學(xué)產(chǎn)品和合成路線，大大減少了實驗室和工業(yè)規(guī)模的污染物排放。連續(xù)流化學(xué)是實驗室里的微型連續(xù)裝置。它被認(rèn)為是可持續(xù)化學(xué)工藝從科學(xué)研究向工程生產(chǎn)規(guī)模化發(fā)展的墊腳石。以層流為基礎(chǔ)的燃料電池是可持續(xù)化學(xué)過程的一個顯著例子，它利用液體燃料作為可持續(xù)資源，在微通道中持續(xù)產(chǎn)生能量，并產(chǎn)生水作為副產(chǎn)品，而不會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，太陽能是一種巨大的、可靠的、實際上用之不竭的能源，具有均勻的輻照，可以很容易地與連續(xù)流反應(yīng)器集成在一起，在流太陽能電池中產(chǎn)生化學(xué)能和電能，如產(chǎn)生單重態(tài)氧和去除水中的有毒成分?？沙掷m(xù)化學(xué)過程的概念也體現(xiàn)在碳捕獲和利用上，即以微膠囊或微流體裝置的形式持續(xù)捕獲溫室氣體，然后轉(zhuǎn)化為綠色合成產(chǎn)品。第四次工業(yè)革命，又稱工業(yè) 4.0，正在形成一種演變，其影響已遍及各個行業(yè)，尤其是制造業(yè)。在工業(yè) 4.0 的背景下，可持續(xù)的化學(xué)過程可能會成為一個智能實驗室，將網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)與先進(jìn)的人工智能和穩(wěn)健的檢測技術(shù)連接起來。它還將創(chuàng)建一個閉環(huán)系統(tǒng)，包括合作和協(xié)調(diào)機(jī)器，自我決策系統(tǒng)，自主問題解決和學(xué)?習(xí)系統(tǒng)?？沙掷m(xù)化學(xué)過程的智能實驗室的目標(biāo)是通過適應(yīng)“即插即用”的原則，以盡可能快的速度完全靈活的生產(chǎn)。魯棒的傳感技術(shù)可以靈活地嵌入到多步反應(yīng)和分離過程中進(jìn)行實時監(jiān)測。因此，3D 打印提供了最佳的解決方案，因為其靈活和可定制的獨特屬性，使“即插即用”的原則快速實現(xiàn)。此外，在智能實驗室中采用數(shù)據(jù)驅(qū)動策略，可以提高靈活性和智能制造水平。這一策略在很大程度上取決于數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量，這可以通過利用先進(jìn)的傳感技術(shù)通過內(nèi)置在線監(jiān)測過程來保證。此外，智能實驗室也被稱為“黑暗實驗室”、“熄燈實驗室”或“無人實驗室”，不需要人力。

【曼森無人化實驗室檢測全流程自動化，實現(xiàn)檢測全流程黑燈作業(yè)】

它運用人工智能實踐預(yù)測、自動化和自主、自行為和自決策的方法，在可持續(xù)化工過程中進(jìn)行智能控制、調(diào)度、設(shè)計、過程控制質(zhì)量和維護(hù)。例如，巴斯夫正在實施工業(yè) 4.0，將 3D 打印應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)施、連接系統(tǒng)以及用于過程管理和控制以及虛擬工廠調(diào)試的先進(jìn)預(yù)測和分析模型。施耐德電氣采用了 3D 打印、先進(jìn)的人工智能和先進(jìn)的傳感器，使生產(chǎn)率提高了 2-7%，能源利用率提高了 30%，運營成本降低了 50%。將增材制造、先進(jìn) AI 和魯棒傳感器應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模工藝，在提高工藝效率、能源利用率和成本效益方面顯示出顯著的勢頭。如前所述，AI、數(shù)據(jù)和硬件是智能實驗室的基礎(chǔ)模塊。人工智能是對人類智能的一種模擬，它被編程在機(jī)器中，使它們能夠像“科學(xué)家”一樣思考和行動，比如學(xué)習(xí)和解決問題。在可持續(xù)化工過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)和遺傳算法等人工智能算法是監(jiān)測、優(yōu)化和控制中常見的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法。因此，將先進(jìn)的傳感技術(shù)嵌入到多步驟過程中進(jìn)行在線監(jiān)測，可以保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量，這是數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的主要關(guān)注點。通過內(nèi)置在線方法，可以獲得化學(xué)過程的實時數(shù)據(jù)，如反應(yīng)物使用量、產(chǎn)品收率以及操作條件，如 pH、溫度和壓力，這些都是離線分析技術(shù)無法獲得的。在線方法直接測量工藝流程，不需要去除或轉(zhuǎn)移樣品，而在線方法自動分析樣品材料，不需要分配工藝。將先進(jìn)的傳感技術(shù)集成到反應(yīng)室需要靈活的硬件設(shè)計，這可以通過增材制造(AM)方便。AM 也被稱為 3D 打印，是一種綠色制造技術(shù)，從數(shù)字輸入建立三維物理輸出，而不需要傳統(tǒng)的工具。該定制工具為需要定制、靈活性和設(shè)計復(fù)雜性的應(yīng)用程序提供了優(yōu)勢。AM 在燃料電池、流動化學(xué)等能源產(chǎn)生裝置中的應(yīng)用也得到了廣泛的討論。除此之外，人們還非常希望將人工智能、數(shù)據(jù)和硬件結(jié)合到實驗室規(guī)模的研究中，以簡化之后的升級過程。到目前為止，許多工作已經(jīng)分別討論了智能工廠的網(wǎng)絡(luò)和物理系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)指的是人工智能和數(shù)據(jù)的融合，數(shù)據(jù)通過先進(jìn)的感知技術(shù)產(chǎn)生，并被人工智能算法用于執(zhí)行任務(wù)，如在云空間的自我優(yōu)化和預(yù)測。相比之下，物理系統(tǒng)描述了智能實驗室的硬件，如多步反應(yīng)器、分離器和檢測技術(shù)，它們可以通過 AM 技術(shù)實現(xiàn)物理集成，用于內(nèi)置在線監(jiān)測。在這樣的網(wǎng)絡(luò)和物理系?統(tǒng)中，如果沒有 AM，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的魯棒性將受到低自定義能力與強(qiáng)大的檢測技術(shù) 連接的阻礙，從而導(dǎo)致構(gòu)建可靠模型的高質(zhì)量數(shù)據(jù)的丟失。另一方面，如果沒有人工智能，物理系統(tǒng)將只能執(zhí)行實時監(jiān)控，而沒有智能反饋和控制，限制了物理系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和功能。因此，人工智能、數(shù)據(jù)和硬件的融合可以實現(xiàn)智能可持續(xù)化學(xué)的物理和虛擬意義。

02 通過增材制造和在線監(jiān)測實現(xiàn)的智能物理系統(tǒng)

這里的物理系統(tǒng)指的是用于反應(yīng)器、分離器和先進(jìn)檢測等可持續(xù)化學(xué)過程的智能實驗室的硬件。由于對實時信息的需求，有必要通過增材制造將它們集成到外殼和套管中，以便進(jìn)行內(nèi)置在線監(jiān)測。AM 可以減少生產(chǎn)集成先進(jìn)檢測的定制反應(yīng)室的周期時間。這種無與倫比的方法可以鼓勵研究人員執(zhí)行一種更迭代的方法，在現(xiàn)有的硬件中嵌入特定的幾何形狀。因此，可以根據(jù)工藝的要求，立即修改設(shè)計。此外，它還可以避免有價值但壽命較短的中間體檢測的損失。目前，各種檢測技術(shù)，如溫度監(jiān)測、光譜學(xué)和成像，已通過 3D 打印用于在線監(jiān)測在可持續(xù)化學(xué)應(yīng)用中得到了報道。例如，Monaghan 通過超聲波添加劑制造（UAM）開發(fā)了多材料結(jié)構(gòu)光譜學(xué)，將纖維藥物嵌入金屬微反應(yīng)器中，用于 B維生素?zé)燉０泛蜔晒馑氐默F(xiàn)場監(jiān)測，如圖 1 A 所示。通過啟用 AM 的現(xiàn)場監(jiān)測，研究人員可以從反應(yīng)物的使用中獲得實時數(shù)據(jù)，而使用離線分析技術(shù)無法看到產(chǎn)品形成和中間體生成。Maier 等人通過選擇性激光熔化（SLM）開發(fā)了帶有在線氧傳感器的不銹鋼反應(yīng)器。這被證明是研究格氏試劑在流動中氧化的一種有前途的方法。這兩項工作都表明了 AM 技術(shù)在制造高度復(fù)雜的金屬器件方面的穩(wěn)健性，這些器件適用于可持續(xù)化學(xué)過程中的高溫高壓應(yīng)用，同時在更自由的設(shè)計中保持高精度的測量。在空氣污染監(jiān)測的另一個應(yīng)用中，熔融燈絲制造（FFF）用于制造帶有嵌入式半導(dǎo)體空氣質(zhì)量傳感器的光催化氣相反應(yīng)器，該傳感器測量電阻變化。這種 3D 打印氣體傳感器采用廉價的方法制造，并配有現(xiàn)成的組件，如光催化過濾器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用 AM 技術(shù)還可以安裝更強(qiáng)大的檢測單元，并改進(jìn)系統(tǒng)性能評估。例如，在燃料電池系統(tǒng)中，電流密度和功率密度是評估性能的標(biāo)準(zhǔn)實時信息。采用熔融沉積模型（FDM）在高溫聚合物電解質(zhì)燃料電池上嵌入電子順磁共振（ERP）光譜，用于陰極電導(dǎo)率測量。Polyjet 技術(shù)提供了一種快速且經(jīng)濟(jì)高效的方法，當(dāng)使用商業(yè) X 射線計算機(jī)斷層掃描儀提供的低強(qiáng)度 X 射線進(jìn)行水分布可視化（圖 1 B）時，設(shè)計足夠小的夾具，以實現(xiàn)良好的信噪比，否則很難通過常規(guī)機(jī)加工制造。這項工作突出了使用魯棒傳感器實時監(jiān)測層流燃料電池的機(jī)會。Menzel 等人通過 FDM 提出了一個 3D 打印化學(xué)合成系統(tǒng)，包括反應(yīng)器、分離器、壓力調(diào)節(jié)器和泵，如圖1 C所示，該系統(tǒng)為多步化學(xué)合成創(chuàng)建了一個完整的連續(xù)流系統(tǒng)。?在低成本 3D 打印技術(shù)上對耐高溫和耐化學(xué)腐蝕的聚合物（如聚醚醚酮）進(jìn)行 3D 打印，為可持續(xù)化學(xué)過程中的高溫和腐蝕應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)會。

圖 1 （A）UAM 池光譜測量示意圖，其特征是垂直于微流控通道嵌入涂層光纖，用于分析熒光素溶液（B）具有三維打印池支架和流場夾具的 X 射線計算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)內(nèi)的可視化設(shè)置（C）使用三維打印反應(yīng)器、泵、BPR 和膜分離器

曼森人工智能自動化實驗室產(chǎn)品

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷革新以及人工智能、大數(shù)據(jù)時代的到來，信息技術(shù)在各個領(lǐng)域日益滲透，借助先進(jìn)信息技術(shù)與前沿管理理念打造智慧實驗室，成為未來發(fā)展的必經(jīng)之路。在此創(chuàng)新變革浪潮之下，曼森生物全自動化檢測檢驗實驗室解決方案從精益化、智能化、持續(xù)化三大方向持續(xù)深化創(chuàng)新，為實驗室的運營管理與未來發(fā)展帶來無限可能，成為助力實驗室實現(xiàn)自我革新的新引擎。

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平行生物反應(yīng)器：由華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器國家重點實驗室和國家生化工程技術(shù)研究中心張嗣良教授技術(shù)團(tuán)隊研發(fā)的平行生物反應(yīng)器，區(qū)別于傳統(tǒng)的生物反應(yīng)器，具有高度平行性（同步性和重現(xiàn)性），利于高校實驗室和企業(yè)研發(fā)實驗室使用

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全自動分液機(jī)器人：采用協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行分裝液體，通量高、速度快、靈活性大、兼容試管、離心管、三角瓶、藍(lán)蓋瓶、容量瓶、微孔板等多種形式容器，特別是可以分裝接觸皿將液體自動定量分裝到各種容器中。

梯度稀釋機(jī)器人：樣品的梯度稀釋、復(fù)制和重排組合，適用于試管間、孔板間稀釋；有吹吸混勻功能?？梢酝瑫r稀釋4種樣品。

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?四通道平板分裝儀

四通道平板分裝儀：該設(shè)備擁有智能操控、分裝準(zhǔn)確、可自定義分裝參數(shù)等特點，可以同時分裝1-4種培養(yǎng)基。儀器啟動后無需管理，自動進(jìn)行培養(yǎng)基的分裝及平皿堆疊，可大幅度減少操作人員工作量，是實驗室分裝平板培養(yǎng)基的優(yōu)選設(shè)備。

未完待續(xù)

參考文獻(xiàn)：Xin Yee Tai, Hao Zhang , Zhiqiang Niu, et al. The future of sustainable chemistry and process:Convergrnce of artificial intelligence,date and hardware. Energy and AI? 2 (2020) 100036

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