這款全球首個(gè)集閱讀文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、自主優(yōu)化等功能于一體，覆蓋化學(xué)品開發(fā)全流程的機(jī)器化學(xué)家平臺(tái)，被科研人員形象地稱為“機(jī)器化學(xué)家”。

實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、中國(guó)科大化學(xué)物理系教授江俊介紹：“從數(shù)百萬(wàn)種材料的可能組合中找到最優(yōu)解，科研人員也許一生都做不完；有了機(jī)器化學(xué)家，可能只需要一兩周時(shí)間?！?/p>

機(jī)器化學(xué)家融合了大數(shù)據(jù)、人工智能和自動(dòng)化的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，為化學(xué)這一傳統(tǒng)學(xué)科提供了新的研究范式。

那么，這款如此聰慧的機(jī)器化學(xué)家是如何誕生的？時(shí)任中國(guó)科大化學(xué)物理系執(zhí)行主任、現(xiàn)任中國(guó)科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心主任羅毅說(shuō)：“這是天時(shí)、地利、人和的結(jié)果?！?/p>

機(jī)器化學(xué)家“小來(lái)”在做實(shí)驗(yàn)。中國(guó)科大供圖

天時(shí)：科研發(fā)展的必然

2011年底，江俊決定回國(guó)加入中國(guó)科大，與他在瑞典皇家理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位的導(dǎo)師羅毅再次攜手。

兩人都從事理論和計(jì)算化學(xué)方面的研究，但各有側(cè)重。羅毅主攻解析高分辨單分子化學(xué)成像，江俊則更關(guān)注材料設(shè)計(jì)和微觀機(jī)理的研究。

2013年底的一天，羅毅與江俊一起出差。在路上，羅毅拋出一個(gè)問(wèn)題：基于獨(dú)立事例的理論計(jì)算，雖然符合傳統(tǒng)研究范式，但效率太低。有沒(méi)有可能通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)提高效率？

江俊經(jīng)過(guò)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，我國(guó)嚴(yán)重缺乏科學(xué)數(shù)據(jù)的積累，在學(xué)術(shù)上非常被動(dòng)。

“我們做了大量研究工作，但最終成果發(fā)表在外文期刊上。引用這些論文數(shù)據(jù)時(shí)還得花錢買，并且只有訪問(wèn)權(quán)，不允許大量下載?！苯≌J(rèn)為，要用好大數(shù)據(jù)技術(shù)，必須首先建立數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

從2014年起，江俊帶領(lǐng)學(xué)生收集教科書、論文、專利中“沉淀”的化學(xué)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，用3年搭建起“中國(guó)人自己的化學(xué)材料大數(shù)據(jù)庫(kù)”。

有了足夠的數(shù)據(jù)后，接下來(lái)的問(wèn)題就是如何使用。在技術(shù)上，人工智能是處理大數(shù)據(jù)最好的手段。然而，這對(duì)羅毅、江俊而言是一個(gè)全新的工具。

不懂就學(xué)，知難而上。他們以自己熟悉的譜學(xué)、催化為抓手，應(yīng)用人工智能方法開展研究，取得了良好的效果。值得一提的是，江俊發(fā)現(xiàn)的多個(gè)功能強(qiáng)大的描述符，被《科學(xué)》雜志兩次專文推薦。

雖然融合了人工智能技術(shù)，但如何用大數(shù)據(jù)解決實(shí)際的化學(xué)問(wèn)題，依舊是個(gè)挑戰(zhàn)?！耙?yàn)閿?shù)據(jù)本身缺乏知識(shí)邏輯的關(guān)聯(lián)?！绷_毅說(shuō)。

2017年的一天，羅毅想到一個(gè)好點(diǎn)子：可否借助本校兩位教授在發(fā)光材料、催化劑領(lǐng)域的深厚積累，將他們的知識(shí)與大數(shù)據(jù)庫(kù)融合？

他激動(dòng)地將江俊叫到辦公室，說(shuō)：“你把張國(guó)慶、熊宇杰發(fā)表的論文全部讀一遍，這樣就能形成一個(gè)‘張國(guó)慶大腦’、一個(gè)‘熊宇杰大腦’。研究發(fā)光材料時(shí)，就調(diào)用‘張國(guó)慶大腦’；設(shè)計(jì)催化劑時(shí)，就調(diào)用‘熊宇杰大腦’。這樣一來(lái)，我們這些化學(xué)知識(shí)不足的人也可以用好數(shù)據(jù)了?！?/p>

就這樣，江俊和同學(xué)們一起對(duì)海量文本數(shù)據(jù)進(jìn)行人工標(biāo)注，逐步賦予計(jì)算機(jī)自主閱讀并分析文獻(xiàn)資料的能力，僅用兩年就成功培育出一顆“化學(xué)大腦”。

“化學(xué)大腦”有了，下一步就是想辦法給大腦配上可以實(shí)際操作的“雙手”。

2020年，英國(guó)利物浦大學(xué)安德魯·庫(kù)珀團(tuán)隊(duì)建造了世界首個(gè)移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)員。研讀完他們發(fā)表的相關(guān)文章，江俊信心滿滿地對(duì)羅毅說(shuō)：“我們不但可以讓機(jī)器人做實(shí)驗(yàn)，還可以給機(jī)器人配上‘化學(xué)大腦’。”

同年，在中國(guó)科大的一次交叉學(xué)科論壇上，江俊認(rèn)識(shí)了該校信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院從事機(jī)器人研究的副教授尚偉偉，兩人在聯(lián)手研發(fā)機(jī)器化學(xué)家上一拍即合。

于是，在江俊的帶領(lǐng)下，他們迅速組織了一個(gè)青年團(tuán)隊(duì)，夜以繼日協(xié)同攻關(guān)。

2021年12月，全球首個(gè)數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器化學(xué)家，終于在中國(guó)誕生了。它融合“化學(xué)大腦”，集成了兩臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人、19個(gè)智能化學(xué)工作站和高通量計(jì)算系統(tǒng)，覆蓋科學(xué)研究方法論全流程。

2022年9月，相關(guān)研究成果發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》上。審稿專家如此評(píng)價(jià)：這款機(jī)器化學(xué)家的“機(jī)器人系統(tǒng)、工作站和智能化學(xué)大腦都是最先進(jìn)的”，“將對(duì)化學(xué)科學(xué)產(chǎn)生巨大影響”。

“機(jī)器化學(xué)家不是某天一拍腦袋就能做出來(lái)的?！绷_毅說(shuō)，“這是我們與時(shí)俱進(jìn)、吸納新知識(shí)、利用新技術(shù)解決問(wèn)題的過(guò)程，也是持續(xù)進(jìn)行科研探索的必然結(jié)果?！?/p>

地利：多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)

創(chuàng)造出這樣一位能閱讀、能思考、能實(shí)踐、能最終解決問(wèn)題的機(jī)器化學(xué)家，并非易事。

江俊認(rèn)為，這主要得益于中國(guó)科學(xué)院集成攻關(guān)的傳統(tǒng)和中國(guó)科大寬松的科研環(huán)境、多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)。

他回憶，大數(shù)據(jù)模型建立后，需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證，這意味著更大的投入。

2021年初，中國(guó)科學(xué)院發(fā)布了當(dāng)年基礎(chǔ)前沿和關(guān)鍵核心技術(shù)中的重大科學(xué)問(wèn)題清單，“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的化學(xué)、材料和生物科學(xué)的機(jī)器科學(xué)家”是46個(gè)項(xiàng)目之一。

江俊鼓起勇氣，決定“揭榜掛帥”。很快，他的項(xiàng)目申請(qǐng)獲得通過(guò)。從2021年到2025年，中國(guó)科學(xué)院將拿出2000萬(wàn)元經(jīng)費(fèi)，給予江俊團(tuán)隊(duì)連續(xù)5年的穩(wěn)定支持。

也是在2021年，江俊向中國(guó)科大提交了一份“‘雙一流’學(xué)科重點(diǎn)項(xiàng)目建議表”。學(xué)校研究后，給予1000萬(wàn)元經(jīng)費(fèi)支持。同時(shí)，中國(guó)科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院出手相援，為研發(fā)團(tuán)隊(duì)提供了研發(fā)場(chǎng)地、調(diào)配了研究設(shè)備。

“這種快速?zèng)Q策、快速支持、快速撥款的響應(yīng)機(jī)制給了我很大激勵(lì)，也為研究提供了及時(shí)、充分的保障。在人工智能領(lǐng)域，技術(shù)迭代速度極快，一步落后就會(huì)步步落后?！苯≌f(shuō)。

中國(guó)科大還有一個(gè)天然優(yōu)勢(shì)：這里會(huì)聚了不同學(xué)科背景的科研人員，他們可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同攻關(guān)，更加快速地把構(gòu)想變成現(xiàn)實(shí)。

例如，機(jī)器人是整個(gè)平臺(tái)中的重要一環(huán)。當(dāng)初，尚偉偉與江俊商量后，愿意改變團(tuán)隊(duì)的研究方向，專門研發(fā)實(shí)驗(yàn)機(jī)器人。

安德魯·庫(kù)珀在參觀機(jī)器化學(xué)家實(shí)驗(yàn)室時(shí)，最羨慕的就是江俊他們擁有自己的機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)。江俊頗為自豪地說(shuō)：“化學(xué)機(jī)器人指令集的每一行代碼都是我們團(tuán)隊(duì)自己寫出來(lái)的，如果要做一個(gè)新的動(dòng)作，可以隨時(shí)調(diào)整代碼。安德魯·庫(kù)珀則必須請(qǐng)公司改代碼，因?yàn)樗臋C(jī)器人是買來(lái)的。”（記者王敏）

研究團(tuán)隊(duì)在控制室分析電催化機(jī)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。張大崗 攝

（未完待續(xù)）

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