正如前一篇專欄所提到的，一些研究人員開始以自動化和智能化的方式來著手解決合成實(shí)驗(yàn)中效率低、重復(fù)性差和安全性的問題。為了讓大家更深入地了解，我們決定開個系列來逐個介紹這些科學(xué)家以及他們的成就，未來也將持續(xù)追蹤關(guān)注他們最新的工作。希望為實(shí)驗(yàn)人員轉(zhuǎn)變思想，擁抱自動化、智能化和物聯(lián)化的實(shí)驗(yàn)室模式做出一丟丟貢獻(xiàn)。內(nèi)容很精彩，關(guān)注up主，不會走丟(￣▽￣)ノ

第一位要介紹的是來自多倫多大學(xué)Alan Aspuru-Guzik教授。

Alan Aspuru-Guzik是多倫多大學(xué)的化學(xué)和計算機(jī)科學(xué)的教授， 長期從事量子信息、化學(xué)以及將機(jī)器學(xué)習(xí)和化學(xué)融合的研究。他是將量子計算機(jī)專門用于化學(xué)系統(tǒng)和量子模擬器的算法開發(fā)以及其實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的先驅(qū)。不過最近，Alán 更多的興趣放在了加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)的自動化化學(xué)實(shí)驗(yàn)室上，并且在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都做出了卓越的成果。

1? 目標(biāo)&解決方案

學(xué)術(shù)上，對于Alan Aspuru-Guzik的“AI for Discovery and Self-Driving Labs”研究小組來說，目標(biāo)是將發(fā)現(xiàn)新功能材料或優(yōu)化已知功能材料所需的時間和金錢減少 10 倍，即從估計的 1000 萬美元和 10 年的開發(fā)時間減少到 100 萬美元和 1 年。他們提出應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的解決方案是開發(fā)自我驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)室，將人工智能與自動化機(jī)器人平臺相結(jié)合，以自主發(fā)現(xiàn)新材料。而創(chuàng)建一個完全自主的自動駕駛實(shí)驗(yàn)室是一項(xiàng)多學(xué)科任務(wù)，小組探索了多個領(lǐng)域，包括利用人工智能設(shè)計用于控制和設(shè)計實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化算法、用于執(zhí)行這些實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人系統(tǒng)以及用于分析結(jié)果的自動表征方法，這些領(lǐng)域以智能化、物聯(lián)化的模式在Alan Aspuru-Guzik實(shí)驗(yàn)室組成了閉環(huán)，最大化的減少實(shí)驗(yàn)過程中的低端人工成分，而把精力放在創(chuàng)新和設(shè)計上。當(dāng)然這種實(shí)驗(yàn)室模式也在多個工作中展示了它閉環(huán)自主發(fā)現(xiàn)的生產(chǎn)力：（1）在一次運(yùn)行過程中來產(chǎn)生大約40種用于激光設(shè)備的有機(jī)半導(dǎo)體分子（2）在廣泛空間內(nèi)，大大優(yōu)化了薄膜材料的成分和加工參數(shù)(SCIENCE ADVANCE,13 May 2020,Vol 6, Issue 20,DOI: 10.1126/sciadv.aaz8867)。

2??自動化實(shí)驗(yàn)室組成

讓我們簡單地來看看這個實(shí)驗(yàn)室循環(huán)模式四大組成部分-虛擬篩選、機(jī)器人平臺合成、自動化表征以及“大腦”控制軟件-centos。

Alan的實(shí)驗(yàn)室里，基于量子化學(xué)和計算化學(xué)進(jìn)行高通量計算的虛擬篩選是他們的拿手好戲。通過計算模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)得到合適范圍內(nèi)的分子就交由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的Chemspeed機(jī)器人平臺旨來進(jìn)行高通量的樣品制備、合成、工藝開發(fā)、配方、應(yīng)用或測試，加速產(chǎn)品的研發(fā)。

產(chǎn)品合成后緊跟著的是他們的自動表征平臺，除了在多臺傳統(tǒng)意義上的表征儀器間進(jìn)行通信和產(chǎn)物的傳遞。在人臉識別、自動駕駛等領(lǐng)域正在大放異彩的計算機(jī)視覺，也作為一個新的研究方向，被用來增強(qiáng)進(jìn)行化學(xué)和材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)時的視覺感知，例如在實(shí)驗(yàn)過程中對液體類型、材料的相（例如，液體、固體、泡沫、懸浮液）、容器的類型以及容器的特性（透明、不透明）的實(shí)時觀察。

ChemOS軟件作為大腦，管理著數(shù)據(jù)收集、實(shí)驗(yàn)程序和相關(guān)的機(jī)器人設(shè)備。它還支持設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，這使得 ChemOS 能夠跨不同的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，甚至位于不同機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室。ChemOS能夠幫助不同的實(shí)驗(yàn)室之間共享互補(bǔ)各自專業(yè)領(lǐng)域，可以加快發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新過程。一個這樣的“共享”實(shí)驗(yàn)室曾在加拿大溫哥華和美國劍橋之間建立， ChemOS校準(zhǔn)了一個機(jī)器人采樣序列，用于直接注射HPLC分析。這個過程在沒有人監(jiān)督的情況下完全自主地運(yùn)行了幾天，總共累積了1100個由ChemOS設(shè)計的實(shí)驗(yàn)。

3??實(shí)驗(yàn)室之外...

除了自己實(shí)驗(yàn)室的工作外，他同樣是2021年八月英國皇家化學(xué)學(xué)會新創(chuàng)建的Open Access期刊? Digital Discovery 的主編，該期刊正面迎合高程度自動化、數(shù)據(jù)驅(qū)動等與化學(xué)、材料學(xué)、生物技術(shù)融合的趨勢，目標(biāo)是捕捉該交叉領(lǐng)域的頂級研究，以及與機(jī)器學(xué)習(xí)、高通量計算相關(guān)的主題和實(shí)驗(yàn)篩選，來快科學(xué)發(fā)現(xiàn)的進(jìn)程。

當(dāng)然Alan Aspuru-Guzik并不僅僅是在自己的實(shí)驗(yàn)室自娛自樂，他也在產(chǎn)業(yè)界積極開拓。Aspuru-Guzik于 2017 年在哈佛大學(xué)聯(lián)合推出了Kebotix，這家公司正為機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器人自動化在未來幾年內(nèi)為材料科學(xué)帶來革命做準(zhǔn)備，正如公司的slogan所說：只需按一下按鈕，就能以更快的速度發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造先進(jìn)的化學(xué)品和材料。Kebotix日前獲得了500萬美元融資，由One Way Ventures領(lǐng)投，走出了隱形模式。另外投資者還包括百度風(fēng)投、波士頓Flybridge Capital Partner、洛杉磯Embark Ventures、挪威Propagator Ventures以及紐約WorldQuant Ventures。最近，Kebotix實(shí)驗(yàn)室在市面銷售的700萬個分子中識別出極少數(shù)個可以用作電致變色玻璃材料的分子，并且AI還設(shè)計出數(shù)百個額外的新型電致變色分子，每個分子都滿足了目標(biāo)特性。這項(xiàng)工作證明了Kebotix以極快的速度發(fā)掘一種新型材料來證明自己正在履行 Kebotix 成立時的使命.

此外，他還協(xié)調(diào)成立了一個名為 Acceleration Consortium 的聯(lián)盟，這是是學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府之間的一項(xiàng)新的全球性合作，總部位于多倫多大學(xué)（U of T）。Acceleration Consortium有3個相互關(guān)聯(lián)的目標(biāo)：（1）轉(zhuǎn)變科技創(chuàng)新：推動材料加速平臺（Materials Acceleration Platform,MAPS）的設(shè)計，以加快新材料的發(fā)現(xiàn)，并在AI、機(jī)器人技術(shù)、計算和材料科學(xué)領(lǐng)域取得根本性突破；（2）構(gòu)建創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)：建立致力于材料創(chuàng)新的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、科技公司和企業(yè)家組成的全球網(wǎng)絡(luò)；（3）培養(yǎng)高技能的勞動力：為下一代研究人員制定全國性的培訓(xùn)計劃。

Alan Aspuru-Guzik的實(shí)驗(yàn)室主頁：https://www.matter.toronto.edu/