Люди не нужны: роботы с ИИ самостоятельно открывают новые лазерные материалы

Автоматизированные лаборатории по всему миру создают, тестируют и собирают светоизлучающие соединения, которые можно использовать в современных дисплеях и телекоммуникационных устройствах.

Глобальный консорциум из шести автоматизированных лабораторий, контролируемых искусственным интеллектом (ИИ), приступил к производству новых лазерных материалов, разделив работу от синтеза до испытаний. В результате этих усилий было получено соединение, которое излучает лазерный свет с рекордной эффективностью, сообщают исследователи в журнале Science. Наряду с другими недавними результатами, этот подвиг предполагает, что в некоторых областях беспилотные лаборатории могут превзойти лучших ученых, делая открытия, упущенные людьми.

Привлекательность лабораторий, управляемых искусственным интеллектом, для разработки новых лекарств, промышленных катализаторов, а также энергетических технологий и технологий сокращения выбросов очевидна. Создание новых молекул и материалов обычно происходит медленно и утомительно. Исследователи должны изучить не только множество рецептов создания молекул, но и различные условия реакций. Им приходится на каждом этапе тестировать новые соединения и оценивать схемы масштабирования производства и сборки материалов в устройства.

За последнее десятилетие роботы начали автоматизировать многие из этих повторяющихся шагов. Например, в 2015 году Мартин Берк, химик из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, представил автоматизированную систему для синтеза малых молекул. Позже, внедрив искусственный интеллект, исследователи добавили петли обратной связи, чтобы данные о новых охарактеризованных соединениях могли определять, что синтезировать дальше. Но для открытия новых материалов и сборки из них устройств требуется, чтобы роботы работали согласованно и выполняли еще больше шагов, говорит Берк. «Ни у кого нет всех этих инструментов и перспектив в одной лаборатории».

Берк и Алан Аспуру-Гузик, химик-теоретик из Университета Торонто, думали, что смогут объединить эти разрозненные функции, выполняемые в разных лабораториях. «Мы подумали: давайте сделаем беспилотную лабораторию из беспилотных лабораторий», — говорит Аспуру-Гузик.

Итак, дуэт объединился с лабораториями Института фундаментальных наук в Южной Корее, Университета Глазго, Университета Британской Колумбии (UBC) и Университета Кюсю, чтобы сосредоточиться на конкретной цели: обнаружении органических соединений, которые могут выделять очень чистые вещества. Такие материалы могут использоваться в современных дисплеях и телекоммуникационных устройствах, поскольку их можно превратить в тонкие, гибкие, светоизлучающие пленки. Но, несмотря на более чем десятилетнюю работу в этой области, было обнаружено всего около дюжины потенциальных органических лазерных излучателей.

Для начала лаборатории Глазго и UBC изготовили строительные блоки для материалов размером с кубик сахара. Эти цветные порошки были упакованы и отправлены группам Бёрка и Аспуру-Гузика, где роботы вязали их в различных комбинациях в кандидаты-излучатели. Все они были переданы в Торонто, где другие роботы охарактеризовали их светоизлучающие свойства в растворе. Для лучших из них лаборатория UBC определяла, как синтезировать и очищать большие количества, необходимые для изготовления устройств. Затем партиями по несколько граммов материалы были отправлены в Японию, где лаборатория Кюсю включила их в работающие лазеры и проверила их свойства.

За всей операцией следила облачная платформа искусственного интеллекта, разработанная в первую очередь командами в Торонто и Южной Корее, чтобы учиться на каждом эксперименте и учитывать отзывы в последующих итерациях. «Это было почти как симфония», — говорит Ли Кронин, руководитель лаборатории в Глазго. Главным препятствием во времени стали соединения по всему миру. «FedEx стала узким местом», — говорит Берк.

Сотрудничество принесло свои плоды. В результате этих усилий было получено 621 новое соединение, в том числе 21, которое могло конкурировать с современными лазерными излучателями, и одно, которое излучает синий лазерный свет более эффективно, чем любой другой органический материал. «Это действительно впечатляет — заставить все эти различные компоненты работать вместе», — говорит Филипп Шваллер, эксперт по лабораториям беспилотных автомобилей Швейцарского федерального технологического института. И темп открытий был «фантастическим», говорит Донна Блэкмонд, инженер-химик из Scripps Research. «Их методы привели их к хорошим кандидатам гораздо быстрее, чем обычно», — говорит она.

Это не единственный успех за последнее время. В прошлом году, например, лаборатория Аболхасани сообщила о создании наночастиц так называемых перовскитных минералов, которые показали рекордную фотолюминесценцию – свойство, позволяющее идентифицировать материалы, вероятно, будут хорошо работать в солнечных элементах. А в препринте, опубликованном в прошлом году на ChemRxiv, команда Бёрка сообщила об установке искусственного интеллекта, которая не только синтезировала множество новых светособирающих соединений, но и выявила, что делает их стабильными, а не склонными к быстрому распаду, давая редкую возможность взглянуть на то, как ИИ – обычно это черный ящик – принимал решения.

Берк надеется, что достижения в области автоматизации и искусственного интеллекта позволят все большему количеству лабораторий объединить усилия. «Это то, в чем мы отчаянно нуждаемся», — говорит он. В конечном итоге это может позволить ученым прекратить заниматься роботизированными задачами и стать повелителями роботов.