Kemister vid University of Amsterdam (UvA) har utvecklat en autonom kemisk syntesrobot med en integrerad AI-driven maskininlärningsenhet. Dubbad "RoboChem" kan bänkenheten överträffa en mänsklig kemist när det gäller hastighet och noggrannhet samtidigt som den uppvisar en hög nivå av uppfinningsrikedom.
Som den första i sitt slag kan den avsevärt påskynda kemisk upptäckt av molekyler för farmaceutiska och många andra tillämpningar. RoboChems första resultat publiceras i tidskriften Science .
RoboChem utvecklades av prof. Timothy Noëls grupp vid UvA:s Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences. Deras papper visar att RoboChem är en exakt och pålitlig kemist som kan utföra en mängd olika reaktioner samtidigt som den producerar minimala mängder avfall.
Systemet arbetar autonomt dygnet runt och levererar resultat snabbt och outtröttligt. Noël sa:"På en vecka kan vi optimera syntesen av cirka tio till tjugo molekyler. Detta skulle ta en doktorand flera månader." Roboten ger inte bara de bästa reaktionsförhållandena utan ger också inställningar för uppskalning.
"Det betyder att vi kan producera kvantiteter som är direkt relevanta för leverantörer till exempelvis läkemedelsindustrin."
RoboChems "hjärna"
Noël-gruppens expertis ligger inom "flödeskemi", ett nytt sätt att utföra kemi där ett system av små, flexibla rör ersätter bägare, kolvar och andra traditionella kemiverktyg.
I RoboChem samlar en robotnål försiktigt upp utgångsmaterial och blandar ihop dessa i små volymer på drygt en halv milliliter. Dessa strömmar sedan genom rörsystemet mot reaktorn. Där utlöser ljuset från kraftfulla lysdioder molekylomvandlingen genom att aktivera en fotokatalysator som ingår i reaktionsblandningen.
Flödet fortsätter sedan mot en automatiserad NMR-spektrometer som identifierar de transformerade molekylerna. Dessa data återkopplas i realtid till datorn som styr RoboChem.
"Det här är hjärnan bakom RoboChem", säger Noël. "Den bearbetar informationen med hjälp av artificiell intelligens. Vi använder en maskininlärningsalgoritm som autonomt bestämmer vilka reaktioner som ska utföras. Den strävar alltid efter det optimala resultatet och förfinar ständigt sin förståelse av kemin."
Imponerande uppfinningsrikedom
Gruppen lade mycket kraft på att underbygga RoboChems resultat. Alla molekyler som nu ingår i Science-dokumentet isolerades och kontrollerades manuellt. Noël säger att systemet har imponerat på honom med sin uppfinningsrikedom.
"Jag har arbetat med fotokatalys i mer än ett decennium nu. Ändå har RoboChem visat resultat som jag inte skulle ha kunnat förutse. Till exempel har den identifierat reaktioner som kräver väldigt lite ljus. Ibland var jag tvungen att klia mitt huvud att förstå vad det hade gjort. Du undrar då:skulle vi ha gjort det på samma sätt. I efterhand ser du RoboChems logik, eller inte lika snabbt ."
Forskarna använde också RoboChem för att replikera tidigare forskning publicerad i fyra slumpmässigt utvalda artiklar. De bestämde sedan om Robochem producerade samma – eller bättre – resultat.
"I cirka 80 % av fallen gav systemet bättre avkastning. För de övriga 20 % var resultaten liknande", säger Noël. "Det här lämnar mig ingen tvekan om att en AI-stödd strategi kommer att vara fördelaktig för kemisk upptäckt i vidaste möjliga bemärkelse."
Genombrott inom kemi med AI
Enligt Noël ligger relevansen av RoboChem och annan "datoriserad" kemi också i genereringen av data av hög kvalitet, vilket kommer att gynna den framtida användningen av AI.
"I traditionell kemisk upptäckt är endast ett fåtal molekyler grundligt undersökta. Resultaten extrapoleras sedan till till synes liknande molekyler. RoboChem producerar en komplett och omfattande datauppsättning där alla relevanta parametrar erhålls för varje enskild molekyl. Det ger mycket mer insikt."
En annan funktion är att systemet även registrerar "negativa" data. I nuvarande vetenskaplig praxis återspeglar de flesta publicerade data endast framgångsrika experiment. "Ett misslyckat experiment ger också relevant data", säger Noël.
"Men detta kan bara hittas i forskarnas handskrivna labbanteckningar. Dessa är inte publicerade och därmed otillgängliga för AI-driven kemi. RoboChem kommer att ändra på det också. Jag tvivlar inte på att om man vill göra genombrott inom kemin med AI , du kommer att behöva den här typen av robotar."
Mer information: Aidan Slattery et al, Automatiserad självoptimering, intensifiering och uppskalning av fotokatalys i flöde, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj1817. www.science.org/doi/10.1126/science.adj1817
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av University of Amsterdam
