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人工智能碰撞化學實驗新紀元,重新定義傳統(tǒng)化學實驗模式

來源:云合成      2024-04-29
導讀:有機合成是新功能材料、高價值物質(zhì)誕生的搖籃,在現(xiàn)代化學藥、生物藥的研發(fā)中占有重要地位,也是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)、顯示材料領(lǐng)域特殊性能電子化學品的競爭高地,精細化學品的研究更是代表著各行各業(yè)發(fā)展水平的功能性材料推陳出新的所在。

人工智能碰撞化學實驗新紀元,重新定義傳統(tǒng)化學實驗模式

——人工智能與化學實驗的融合

關(guān)鍵詞: 有機合成 機器人 化學實驗 云合成 自動化 人工智能 無人實驗室



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有機合成是新功能材料、高價值物質(zhì)誕生的搖籃,在現(xiàn)代化學藥、生物藥的研發(fā)中占有重要地位,也是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)、顯示材料領(lǐng)域特殊性能電子化學品的競爭高地,精細化學品的研究更是代表著各行各業(yè)發(fā)展水平的功能性材料推陳出新的所在。

自從1828年由人工合成了第一個有機化合物---尿素以來,有機化學研究一直處于低效和勞動密集型的狀態(tài),仍然是在近200年沒有變化的實驗環(huán)境下,由人工操作來完成每一個實驗步驟。近二三十年,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(信息化、智能化)已經(jīng)促進各個行業(yè)逐步跨入了第四次工業(yè)革命時代(工業(yè)4.0),但包括現(xiàn)代發(fā)展很快的醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的精細化工產(chǎn)業(yè)仍然停留在依靠人工進行的一個釜次又一個釜次的勞作中,對應的有機合成實驗室更是完全的手工操作。 

現(xiàn)在,我們正站在化學研究領(lǐng)域的技術(shù)革新門檻上——一個以云合成無人實驗室為技術(shù)基礎,以云端實驗服務為運營模式的云合成公共實驗平臺引領(lǐng)的化學實驗新紀元,挑戰(zhàn)并重新定義傳統(tǒng)化學實驗模式。

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構(gòu)建化學科研新模式




隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展,科學家在改變傳統(tǒng)化學研究方式上進行了大量的創(chuàng)新與嘗試,如逆合成、分子發(fā)現(xiàn)、微量實驗裝置、高通量實驗裝置等,但真正實現(xiàn)能適應一般有機合成小量級的全流程自動化實驗系統(tǒng)仍然處于探索階段。國內(nèi)也有團隊在進行該領(lǐng)域的研究和嘗試,如利用輪車和機械臂模仿人手、腳動作的方式代替人操作化學實驗,或?qū)嶒炂鞑暮唵纹囱b用以完成特定實驗,但都沒有真正實現(xiàn)化學實驗方式的根本改變,并且在自動化實驗裝置與有機合成工藝的指令交互方面均沒有突破,還存在反應類型適應范圍小,難以規(guī)?;?,全流程運行效率低等問題。

云合成(北京)智能科技有限公司歷時兩年,成功地發(fā)明了“云合成無人實驗室”技術(shù)(簡稱‘云合成’)。它包含云合成無人實驗裝置、云合成智能交互系統(tǒng)、云合成AI支撐系統(tǒng)三個主要組成部分,融合了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、高柔性自控技術(shù)和信息技術(shù),適用于一般有機合成的全流程自動化小量實驗裝置,配套全新的研發(fā)輔助軟件平臺系統(tǒng),覆蓋化學研究設計到實驗執(zhí)行的全流程,可自動完成主反應及后處理的完整實驗過程,解決了合成實驗工藝與自動化實驗裝置指令的自動翻譯交互,讓不懂編程的化學科學家以化學語言的描述方式直接控制無人實驗裝置完成實驗操作,提供全量結(jié)構(gòu)化的實驗數(shù)據(jù)(包括視頻、參數(shù)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)等),方便進行實驗數(shù)據(jù)的深度再利用,并創(chuàng)新了全新的云端化學實驗服務模式。它在智能化賦能、信息化突破和自動化創(chuàng)新方面的成功,打破了傳統(tǒng)化學實驗方式,實現(xiàn)了高安全、低成本、高智能的化學實驗新模式。

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云合成無人實驗裝置




云合成發(fā)明的無人實驗裝置是一套應用了自動化技術(shù)、人工智能、機器學習及數(shù)據(jù)分析的高度集成系統(tǒng),通過先進的自動化硬件與智能軟件、智能控制的融合,能在完全無人操作的環(huán)境下,自動執(zhí)行包括主反應及其后處理在內(nèi)的全套化學實驗流程。從加料、溫控、取樣到產(chǎn)物分離與純化,每一步驟均由智能軟件和人工智能技術(shù)指導下的精密設備精準執(zhí)行,實現(xiàn)無氧實驗環(huán)境,提供化學實驗的本質(zhì)安全,能大幅提高實驗的效率、準確性、一致性與安全性,為化學研究領(lǐng)域帶來創(chuàng)新的實驗操作模式。

云合成智能主反應裝置是一種適應100ml-2.25L主反應體系的有機合成高柔性無人實驗裝置,主反應裝置包括了自動投料、控溫、攪拌、除水、冷凝回流、進氣、抽真空、取樣、在線質(zhì)檢、系統(tǒng)清洗等的全功能設計,其中也應用了智能分水、智能分液、自動化取樣送樣、自動化物料轉(zhuǎn)移等智能化手段,實現(xiàn)了完全的無人操作。


云合成智能后處理裝置是一種有機反應物的多個純化過程任意組合的無人實驗裝置,后處理裝置通過智能化和自動化技術(shù),根據(jù)具體的實驗需求,對不同的后處理方法進行靈活分配和組合,完成化學反應的淬滅、萃取、水洗、分液、吸附、干燥、過濾、過柱、打漿、濃縮、溶解、重結(jié)晶等后處理過程。

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云合成智能交互系統(tǒng)




一邊是實驗方案、合成工藝,一邊是實驗裝置,怎么讓實驗裝置按照實驗方案做實驗,這也是有機合成科學家和自控專家都在力圖攻克的難題。自控專家這一側(cè),近年來發(fā)展上位機軟件搭建了一些軟件或工具,為系統(tǒng)自控指令組態(tài)提供方便,即便如此,在面對復雜多變的化學合成工藝,仍然不能脫離人工編程的方式,無法實現(xiàn)“方便、快速”的要求。有機合成科學家這一側(cè),仍然在使用自然語言陳述型的非結(jié)構(gòu)化合成工藝和實驗方案,無法直接控制或應用于自動化實驗設備。云合成就是攻克了實驗方案與實驗裝置快速交互這樣一個難題。

為了解決“實驗方案與實驗裝置”快速交互這樣一個難題,云合成發(fā)明了“一種有機合成過程多層結(jié)構(gòu)化表達、信息數(shù)據(jù)邏輯編輯與組態(tài)式交互界面相結(jié)合的化學實驗工藝結(jié)構(gòu)化表達方法”,使之能夠應用于有機合成的研發(fā)、生產(chǎn)等各個領(lǐng)域,其中這項發(fā)明應用于有機合成實驗方案編制軟件和自動控制組態(tài)軟件,使得云合成智能交互系統(tǒng)實現(xiàn)了科學家實驗方案自動編譯為無人實驗裝備自控指令。

云合成智能交互系統(tǒng)是云合成無人實驗室與科學家之間的交流門戶,利用人工智能技術(shù),幫助科學家輕松進行實驗設計、監(jiān)控實驗進展并取得實驗結(jié)果,確保實驗流程的高度透明和操作便捷。 

云合成打通了科學家只負責編制實驗方案、云合成來完成實驗的全部環(huán)節(jié)。這個成果已經(jīng)完成了包括Suzuki偶聯(lián)反應、Wittig反應、縮合反應、酯化反應、加成反應、酯化加成反應等八個類型的典型有機合成反應的測試。

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云合成AI支撐系統(tǒng)




云合成AI支撐系統(tǒng)是云合成無人實驗室的核心主腦,貫穿實驗設計、安全評估、實驗執(zhí)行及數(shù)據(jù)分析的整個流程,依托持續(xù)的數(shù)據(jù)累積和自我學習機制,不斷提升人工智能智力水平,也不斷豐富有機合成全流程中的人工智能應用場景。

開放式AI支撐系統(tǒng),將集成實驗數(shù)據(jù)分析、知識管理與數(shù)據(jù)可視化處理等功能,通過人工智能和自然語言處理(NLP)技術(shù),依托云合成公共實驗平臺,構(gòu)建超大規(guī)?;瘜W行業(yè)知識圖譜,實現(xiàn)化學行業(yè)垂直落地的通用人工智能系統(tǒng),提供針對化學領(lǐng)域以及無人實驗室的過程數(shù)據(jù)分析、方案設計、實驗預測等所有化學相關(guān)的問答服務,并通過自主深度學習文獻資料、化學知識、行業(yè)數(shù)據(jù)和應用數(shù)據(jù)不斷進化,形成化學研究領(lǐng)域或特定私域范圍(如特定企業(yè)、科研院所、高校等)的智能助手及化學大腦。


逆向合成路徑規(guī)劃系統(tǒng),依托大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù),通過化學合成路徑分析算法模型,自動分析推薦目標化合物的可能合成路徑及其反應參數(shù)條件,為科學家決策提供了重要的參考,提高了化學合成的成功率和效率。


實驗安全評價系統(tǒng),利用化學信息學、計算化學及人工智能技術(shù),綜合分析化合物的物理化學性質(zhì)及安全性數(shù)據(jù),劃分化學反應的危險性級別,為實驗設計、實驗室管理以及實驗過程監(jiān)控提供安全保障。 


AI視覺識別及控制系統(tǒng),結(jié)合人工智能視覺識別技術(shù)和自動控制算法,實時監(jiān)控云合成無人實驗室的實驗過程,包括智能分水、智能分液、在線質(zhì)檢技術(shù)等。 


實驗異常監(jiān)控及處置系統(tǒng),通過云合成實驗的全數(shù)據(jù)分析及實驗異常定義,利用異常診斷模型,發(fā)現(xiàn)實驗過程中的異?,F(xiàn)象,自動執(zhí)行預設的處置措施。


實驗方案優(yōu)化系統(tǒng),采用機器學習與深度學習算法,對化學實驗全過程數(shù)據(jù)進行綜合分析,通過關(guān)鍵影響因子分析模型,自動提出實驗參數(shù)及操作步驟的實驗優(yōu)化策略。

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迎接有機合成AI時代 




云合成(北京)智能科技有限公司即將建設云合成運營驗證中心,云合成公共實驗平臺自營中心,為各類企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)全面提供有機合成實驗服務。同時,云合成也積極探索與各有機合成實驗相關(guān)的院校、研究機構(gòu)、研發(fā)企業(yè)和生產(chǎn)企業(yè)合作,共同打造云合成公共實驗平臺專業(yè)合作中心,進一步豐富合作模式,實現(xiàn)日均萬個化學實驗能力。

云合成(北京)智能科技有限公司也將在有機合成工業(yè)智能軟件領(lǐng)域、智能工廠領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展,為AI落地有機合成領(lǐng)域提供信息化、自動化支撐。因此,我們愿意建立起一個開放的有機合成人工智能開發(fā)體系,海納百川、融域智慧,共同邁向化學研發(fā)新紀元。歡迎人工智能、有機合成等領(lǐng)域的組織和專家加入云合成家族的研發(fā)合作和商務合作,共迎有機合成AI時代的到來。

云合成無人實驗室及云合成公共實驗平臺將于2024年6月18日在上海浦東嘉里酒店浦東廳召開聯(lián)合發(fā)布會及晚宴,并于6月19日至6月21日在第二十二屆世界制藥原料中國展(CPHI)E2D48展出。期待您的光臨,共襄盛舉。




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