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AI遇上化學(xué)：“不可能”變?yōu)椤翱赡堋?/p>
2024/12/24 14:23 來源：科技日報 閱讀：5547
8天完成688次化學(xué)實(shí)驗(yàn),，7天研究1000種催化配方……人類夜以繼日多年才能完成的工作,，人工智能（AI）在短時間內(nèi)就能完成。
“AI從一個研究領(lǐng)域變成了一類賦能技術(shù),?！痹?2月9日至10日召開的香山科學(xué)會議第768次學(xué)術(shù)討論會上,，中國科學(xué)院院士白春禮說，在化學(xué)領(lǐng)域,，得益于AI的應(yīng)用,，化學(xué)反應(yīng)預(yù)測與新化學(xué)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、化學(xué)試驗(yàn)的自動化與智能化等方面均取得了顯著突破,。
AI將如何改變化學(xué)研究,？如何進(jìn)一步推進(jìn)AI與化學(xué)的深度融合？這些問題引發(fā)與會專家學(xué)者熱議,。
2個月內(nèi)完成2000年的工作
AI讓枯燥,、危險、重復(fù)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)來了個“大變身”：機(jī)器人自動操作化學(xué)合成平臺,，甚至具備觀察,、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)的機(jī)器化學(xué)家系統(tǒng)“小來”,，可以完成文獻(xiàn)讀取,、合成、表征,、性能測試,、機(jī)器學(xué)習(xí)模型建立和優(yōu)化等全流程任務(wù)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授羅毅介紹,，通過運(yùn)用“小來”系統(tǒng),，團(tuán)隊加速了新材料的發(fā)現(xiàn)過程,，2個月內(nèi)就完成了需要驗(yàn)證2000年才能完成的復(fù)雜優(yōu)化工作，利用火星隕石制備出實(shí)用的產(chǎn)氧電催化劑,。
面向“遠(yuǎn)方”,，AI能幫助人類探索出一條在地球外星系就地取材研制化學(xué)品的新路；聚焦“眼前”,，有研究單位僅用一年時間,，便利用高精準(zhǔn)的預(yù)訓(xùn)練模型，從6000萬個有機(jī)小分子的結(jié)構(gòu)中篩選出符合冷卻液不同性質(zhì)和要求的目標(biāo)分子,，并成功完成這些分子的合成及實(shí)際產(chǎn)品的測試工作,。
“科學(xué)研究的基本工具來自理論、實(shí)驗(yàn)和科學(xué)文獻(xiàn)三方面,。受工具的限制,，過去的化學(xué)研究采取依賴經(jīng)驗(yàn)和不斷試錯的方法，組織形式也往往是作坊模式,?！敝袊茖W(xué)院院士鄂維南說，AI將助力打造有效的理論,、實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)工具平臺,，使科學(xué)研究邁向平臺化模式,。
中國科學(xué)院院士張錦也認(rèn)為,，利用AI、大數(shù)據(jù),、虛擬現(xiàn)實(shí)等工具,，人類能夠擴(kuò)展思維，提升理解力,，不斷突破認(rèn)知邊界,。通過構(gòu)建覆蓋研發(fā)全流程的一系列智能體來彌補(bǔ)短板，可以讓科學(xué)家有工程思維,、工程師有產(chǎn)品思維,，打破實(shí)驗(yàn)室研究與產(chǎn)業(yè)化要求難以匹配的困境。
高效表達(dá)復(fù)雜微觀世界
微觀層面,，AI在化學(xué)研究中的優(yōu)勢進(jìn)一步顯現(xiàn),。電子自旋、電荷密度,、分子勢能等與化學(xué)性質(zhì)息息相關(guān)的參數(shù),，都變得可預(yù)測、可求解,。
阿爾法折疊3這種模型為什么能準(zhǔn)確預(yù)測蛋白質(zhì),、DNA,、RNA、配體等生命分子的結(jié)構(gòu)及相互作用,？白春禮介紹,，它通過分析大量的輸入和輸出數(shù)據(jù)尋找規(guī)律，掌握分子間相互作用的力,、角度等參數(shù),，再模擬出現(xiàn)實(shí)情況，預(yù)測可能的情況,。
從讀懂現(xiàn)象到摸清規(guī)律,、再到高效表達(dá)復(fù)雜的微觀世界，AI在化學(xué)領(lǐng)域讓“不可能”的探索成為“可能”,。
“在化學(xué)動力學(xué)理論研究方面,，AI展現(xiàn)了巨大潛力?！敝袊茖W(xué)院院士張東輝說,，化學(xué)理論中的分子體系勢能面構(gòu)造存在“指數(shù)墻”困難，即計算量會隨分子體系中原子個數(shù)增長而呈指數(shù)級增長,。AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能高效表達(dá)復(fù)雜的高維函數(shù),，解決了這個難題。借助AI,，團(tuán)隊解決了包含十幾個原子的分子體系高精度勢能面構(gòu)造問題,。
張東輝介紹，近年來,，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在求解電子運(yùn)動薛定諤方程的基態(tài)波函數(shù)方面也取得了重要進(jìn)展,。在不存在費(fèi)米共振的情況下，團(tuán)隊僅使用15000個參數(shù),，就能精確求解丙烷分子（包含11個原子）的振動能量,。而這在此前被認(rèn)為是難以求解的。
針對求解多電子薛定諤方程這一量子化學(xué)領(lǐng)域的核心問題,，AI提供的新范式有望突破計算消耗隨體系擴(kuò)大呈指數(shù)級增長的瓶頸,。中國科學(xué)院院士楊金龍介紹，基于生成式AI的“乾坤網(wǎng)絡(luò)”（QiankunNet）可實(shí)現(xiàn)多電子薛定諤方程的直接求解,?！盎麨榱恪⒎侄沃钡牟呗?，使較復(fù)雜材料體系的計算從“不可能”逐步走向“可能”和“精準(zhǔn)”,。
模型建構(gòu)需“垂直發(fā)力”
“化學(xué)是唯一能夠獲得穩(wěn)定新物質(zhì)的科學(xué)?！卑状憾Y說,，AI將為發(fā)現(xiàn)更多前所未有的反應(yīng)類型與合成方法帶來無限可能,。
然而，要擔(dān)負(fù)起“從0到1”的創(chuàng)新任務(wù),，AI仍面臨巨大挑戰(zhàn),。
一方面是化學(xué)數(shù)據(jù)的質(zhì)量與可用性問題?！盎瘜W(xué)研究數(shù)據(jù)類型復(fù)雜且高度多樣化,，涵蓋分子表征、光譜圖像,、實(shí)驗(yàn)記錄等多模態(tài)數(shù)據(jù),。”中國科學(xué)院自動化研究所所長徐波解釋,，現(xiàn)有模型往往難以高效表征,、難以整合不同模態(tài)數(shù)據(jù)里的信息?；瘜W(xué)研究還需AI具備更高階的推理能力,，以完成化學(xué)反應(yīng)預(yù)測、分子逆向設(shè)計,、多步合成路徑規(guī)劃等任務(wù),。
另一方面是AI化學(xué)知識儲備問題。現(xiàn)有算法多為“黑箱式”模型,，融入的化學(xué)知識不夠,。換句話說，要拿下“化學(xué)博士學(xué)位”,，AI還需“垂直發(fā)力”,。徐波說,，當(dāng)前許多AI系統(tǒng)主要依賴數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法,，與不同領(lǐng)域知識結(jié)合程度不足。為解決這個問題,，AI領(lǐng)域?qū)W者與化學(xué)學(xué)者正在進(jìn)行跨領(lǐng)域合作,，為化學(xué)領(lǐng)域開發(fā)專用算法和模型，發(fā)展各類科學(xué)化學(xué)語言表征等基本能力,，以構(gòu)建更強(qiáng)大的模型,。
中國科學(xué)院院士、南京大學(xué)黨委書記譚鐵牛認(rèn)為,，應(yīng)在基座大模型的基礎(chǔ)上,，著力建構(gòu)以知識和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動的多任務(wù)多目標(biāo)垂直模型。
白春禮也認(rèn)為,，加快AI和自動化實(shí)驗(yàn)的深度融合,，亟需構(gòu)建高質(zhì)量,、開放共享的化學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并考慮數(shù)據(jù)安全管理等因素,。他建議,，應(yīng)建立自主可控、開放共享的基礎(chǔ)大模型,，開發(fā)針對化學(xué)復(fù)雜問題的專用AI算法等,，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)科交叉并重視AI化學(xué)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)，加快建設(shè)AI化學(xué)生態(tài)平臺,。（記者 張佳星）