KI-Roboter für autonome chemische Synthese: Erfrischt die Geschwindigkeit der chemischen Entdeckung und übertrifft menschliche Chemiker in Genauigkeit und Innovation

Herausgeber | Die meisten aktuellen Forschungsarbeiten konzentrieren sich jedoch auf Reaktionen im kleinen Maßstab, während die Maßstabsvergrößerung die Integration verschiedener Techniken erfordert und möglicherweise viele Versuche und Irrtümer zur Optimierung erfordert.

Als Reaktion auf die Notwendigkeit einer effizienten Optimierung komplexer photokatalytischer Reaktionsbedingungen hat das Team von Professor Timothy Noël vom Van 't Hoff Institute of Molecular Sciences an der Universität Amsterdam (

UvA

) in den Niederlanden ein integriertes künstliches System entwickelt Intelligenzgesteuerte Maschine Autonomer chemischer Syntheseroboter für Lerneinheit. Dieses Desktop-Gerät mit dem Namen „RoboChem“ übertrifft menschliche Chemiker in Geschwindigkeit und Genauigkeit und verfügt über ein hohes Maß an Einfallsreichtum.

RoboChem: eine Tischroboterplattform zur Selbstoptimierung, Intensivierung und Verstärkung photokatalytischer Umwandlungen. (Quelle: Papier)

Untersuchungen zeigen, dass RoboChem ein präziser und zuverlässiger Chemiker ist, der in der Lage ist, eine Vielzahl von Reaktionen effizient durchzuführen und die Abfallerzeugung zu minimieren. Die Existenz von RoboChem hat die Entdeckung chemischer Moleküle in Arzneimitteln und anderen Bereichen erheblich beschleunigt.

Bei dem System handelt es sich um einen Roboter, der rund um die Uhr autonom arbeitet und schnell und unermüdlich Ergebnisse liefert. Noël sagt, dass der Roboter in einer Woche die Synthese von etwa zehn bis zwanzig Molekülen optimieren kann, wofür ein Doktorand normalerweise mehrere Monate dauern würde. Neben optimalen Reaktionsbedingungen bietet der Roboter auch Einstellungen für das Scale-up, sodass wir Mengen produzieren können, die für Zulieferer der Pharmaindustrie direkt relevant sind.

Relevante Forschung trug den Titel „Automatisierte Selbstoptimierung, Intensivierung und Skalierung der Photokatalyse im Fluss“ und wurde am 26. Januar 2024 in „Science“ veröffentlicht. ?? in kontinuierlich strömenden Flüssigkeiten durchgeführt. Kleine und flexible Rohrsysteme ersetzen Bechergläser, Kolben und andere herkömmliche chemische Werkzeuge.

In RoboChem sammeln Roboternadeln sorgfältig Ausgangsmaterialien und mischen sie in kleinen Mengen von etwas mehr als einem halben Milliliter. Anschließend fließen sie durch das Rohrleitungssystem zum Reaktor. Dort löst das Licht leistungsstarker LEDs molekulare Transformationen aus, indem es Photokatalysatoren im Reaktionsgemisch aktiviert.

Der Prozess wird dann mit einem automatisierten NMR-Spektrometer fortgesetzt, um die umgewandelten Moleküle zu identifizieren. Diese Daten werden in Echtzeit an den Computer zurückgegeben, der den RoboChem steuert.

„Das ist der Kopf hinter RoboChem“, sagt Noël. „Es nutzt künstliche Intelligenz, um Informationen zu verarbeiten. Wir verwenden maschinelle Lernalgorithmen, um autonom zu bestimmen, welche Reaktionen durchgeführt werden sollen. Es strebt immer nach den besten Ergebnissen und verbessert kontinuierlich sein Verständnis der Chemie.“ verschiedene Reagenzien und mischen sie geschickt, um eine Reaktionslösung zu erzeugen. (Quelle: UvA)

Beeindruckender Einfallsreichtum

Das Team hat sich viel Mühe gegeben, die Ergebnisse von RoboChem zu bestätigen. Alle in der Arbeit enthaltenen Moleküle wurden manuell isoliert und untersucht. Noël sagte, er sei vom Einfallsreichtum des Systems beeindruckt.

„Ich beschäftige mich seit über einem Jahrzehnt mit der Photokatalyseforschung. Dennoch zeigt RoboChem Ergebnisse, die ich nicht vorhersagen konnte. Beispielsweise wurden Reaktionen entdeckt, die sehr wenig Licht erfordern. Manchmal muss ich mir den Kopf kratzen, um das herauszufinden.“ Was bewirkt es? Und dann fragen Sie sich: Würden wir im Nachhinein das Gleiche tun?

Die Forscher nutzten RoboChem auch, um zuvor veröffentlichte Forschungsergebnisse in vier zufällig ausgewählten Artikeln zu reproduzieren. Anschließend stellten sie fest, ob Robochem die gleichen oder bessere Ergebnisse lieferte.

„In etwa 80 % der Fälle erzielte das System bessere Erträge. In den anderen 20 % der Fälle waren die Ergebnisse ähnlich“, sagt Noël. „Das lässt mich keinen Zweifel daran, dass KI-gestützte Methoden der chemischen Entdeckung im weitesten Sinne zugute kommen werden.“

RoboChem basiert auf den Prinzipien der Strömungschemie. Die Reaktion findet in einem Volumen von nur 650 μl statt, das durch das Röhrchen fließt. (Quelle: UvA)

Durchbruch bei der künstlichen Intelligenz in der Chemie

Die Relevanz von RoboChem und anderer „computergestützter“ Chemie liegt auch in der Generierung hochwertiger Daten, sagte Noël, was dem zukünftigen Einsatz künstlicher Intelligenz zugute kommen wird.

„Bei der traditionellen chemischen Entdeckung werden nur wenige Moleküle gründlich untersucht. Die Ergebnisse werden dann auf scheinbar ähnliche Moleküle extrapoliert. RoboChem generiert einen vollständigen und umfassenden Datensatz, in dem alle relevanten Parameter für jedes Molekül erfasst werden. Dies liefert weitere Erkenntnisse.“

Eine weitere Besonderheit ist, dass das System auch „negative“ Daten erfasst. In der aktuellen wissenschaftlichen Praxis spiegeln die meisten veröffentlichten Daten nur erfolgreiche Experimente wider. „Fehlgeschlagene Experimente liefern ebenfalls relevante Daten“, sagte Noël.

„Aber das ist nur in den handschriftlichen Labornotizen der Forscher zu finden und kann daher nicht für die KI-gesteuerte Chemie verwendet werden.“ Künstliche Intelligenz Um Durchbrüche in der Chemie zu erzielen, braucht man diese Art von Robotern.“

Referenzinhalt: https://phys.org/news/2024-01-autonomous-synthesize-robot-ai-chemical.html

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