人工智能科學家“Organa”將化學實驗交給機器人

實驗室的科學家們往往要花大量時間處理煩瑣且重復的工作，例如移液液體樣本或反復進行相同的分析。但如果他們只需給機器人下達指令，是不是就能完成實驗、分析數(shù)據(jù)，并生成報告呢？

這正是Organa的亮點。Organa是由加拿大多倫多大學研究人員開發(fā)的一款臺式機器人系統(tǒng)，能夠執(zhí)行化學實驗。根據(jù)該團隊發(fā)布在arXiv預(yù)印本平臺上的一篇論文，該系統(tǒng)利用計算機視覺和大語言模型（LLM）的結(jié)合，自動化處理部分化學實驗室任務(wù)，將科學家的口頭指令轉(zhuǎn)化為實驗流程。

多倫多大學的化學家、計算機科學家兼材料科學家阿蘭·阿斯普魯-古齊克也是該項目的負責人之一，他表示：“想象一下，一個機器人可以與人類科學家協(xié)作完成化學實驗?！卑⑻m·阿斯普魯-古齊克的愿景是將傳統(tǒng)實驗室自動化提升到一個新高度，最終打造一個能夠自主執(zhí)行實驗、排除故障，甚至對實驗結(jié)果進行反饋的“人工智能科學家”。

Organa的設(shè)計十分靈活。與傳統(tǒng)固定的自動化系統(tǒng)不同，它不僅能執(zhí)行單一任務(wù)，還可以根據(jù)指令完成多步驟的實驗。系統(tǒng)還配備了可視化工具，能夠?qū)崟r監(jiān)控實驗進展并提供反饋。

美國北卡羅來納州立大學的化學與材料工程師米拉德評論道：“這是展示如何與人工智能助手在機器人化學實驗室中進行雙向?qū)υ挼脑缙诎咐??！彼⑽磪⑴c該項目。

多倫多大學的計算機科學家、項目共同負責人什庫爾蒂表示，目前大多數(shù)實驗室自動化設(shè)備都難以根據(jù)化學家的需求靈活調(diào)整或重新編程。即使可以編程，也要求化學家具備編程能力。而Organa則不同，科學家可以直接通過語音傳達實驗需求?？茖W家給機器人提供實驗?zāi)繕撕驮O(shè)置后，Organa的LLM會將這些自然語言指令轉(zhuǎn)換為標準化學描述語言χDL代碼。算法會將這些代碼分解為具體步驟，并生成每個任務(wù)的執(zhí)行路線圖。如果實驗中出現(xiàn)指令不清晰或結(jié)果異常，系統(tǒng)還能自動提醒科學家進行解決。

Organa的硬件組件約有2/3來自現(xiàn)成的部件，這使得該系統(tǒng)更容易在其他實驗室進行復制，阿蘭·阿斯普魯-古齊克說道。機器人還配備了攝像頭探測器，能夠識別不透明物體和透明物體，例如化學燒瓶。

Organa的第一個實驗任務(wù)是表征醌類分子的電化學特性，這些電活性分子通常用于可充電電池。實驗包含19個平行步驟，包括pH值測試、溶解度測試、重結(jié)晶以及電化學測量等常規(guī)化學操作，還包括一個耗時長達六小時的電極預(yù)清潔步驟?！盎瘜W家們對這個步驟深惡痛絕。”什庫爾蒂說。

Organa以與人類相近的時間完成了這19個實驗步驟，實驗結(jié)果也十分接近。雖然效率未顯著高于手動操作，但如果在夜間運行，機器人可以極大提高生產(chǎn)力。“它可以24小時不間斷工作，這是我們始終占據(jù)的優(yōu)勢?！笔矌鞝柕俳忉尩?。米拉德補充說：“這將為我們高度專業(yè)的科學家節(jié)省大量時間，他們可以將精力集中在解決科學問題上，而不是重復實驗室中的常規(guī)操作?！?/p>

Organa最具特色的功能可能是它能夠?qū)ι傻臄?shù)據(jù)進行反饋?！拔覀兏械襟@訝的是，這個視覺語言模型能夠在化學圖表中發(fā)現(xiàn)異常點?！笔矌鞝柕俳忉尩馈Ｏ到y(tǒng)還會標記這些不確定性并建議可能的解決方案。

目前，團隊正致力于提高LLM的任務(wù)規(guī)劃能力，并優(yōu)化其應(yīng)對實驗中不確定因素的能力。

什庫爾蒂表示：“機器人技術(shù)可以為科學家提供巨大的幫助，提升他們的工作效率，獲得更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。我非常期待創(chuàng)造更多新的可能性?！?/p>