在中國科學技術大學的機器化學家實驗室，可以看見頗具科技感的一幕——一個體型“敦實”但動作靈活的機器人，在操作臺之間穿梭，伸出機械手臂配制試劑。實驗室另一邊，年輕科研人員正輸入指令，對機器人進行“隔空”控制。大部分情況下，這臺機器人會自主思考實驗的步驟和方案，像個不知疲憊的“小化學家”。

這個神奇的“機器化學家”是中國科學技術大學化學物理系教授江俊團隊的“作品”，由開發和集成移動機器人、智能化學工作站、智能操作系統、科學數據與模型庫研制而成，是全球首個集閱讀文獻、自主設計實驗、覆蓋材料開發全流程的機器化學家平臺，從數以億計的可能組合中找到最優解來加快材料研發。

“實驗數據經處理后，輸入到平******有的計算大腦中，產生理實交融的人工智能模型，幫助科研人員優化實驗方案。”江俊說。

該研究成果論文已在《國家科學評論》學術期刊發表。國際審稿人評價說，該成果的“機器人系統、工作站和智能化學大腦都是最先進的”“將對化學科學產生巨大影響”。業內專家認為，機器化學家的研究工作脫離了傳統試錯研究范式的限制，展現出“最強化學大腦”指導的智能新范式的巨大優勢，引領化學研究朝著知識理解數字化、操作指令化、創制模板化的未來趨勢前進。

▲ 研究人員在控制室分析電催化機器實驗數據結果

江俊團隊有近30位成員，其中多數是90后、95后。

近日，該團隊運用我們前面提到的這個“機器化學家”，采用火星隕石成功研制出新型催化劑，為利用火星上的水制備氧氣提供了高效率、低能耗的解決方案，探索出一條在地球外星系就地取材研制化學品的新路。11月14日，國際知名學術期刊《自然·合成》發表了這一研究成果。

▲  智能機器人火星探礦制氧假想圖

該研究成果有什么用？意味著什么？

到火星上棲居是人類的夢想之一，但實現這個夢想首先要解決的便是缺氧問題。

火星大氣中的含氧量極低，無法滿足人類生存。如何能在火星上制備出氧氣？近年來，國際科學界發現火星上存在大量的水，那么在火星上利用太陽能發電，再用電從水中解析出氧氣，成為可行的技術方案之一。

但是，“電解水”還需要使用催化劑，來解決制氧速度慢、能耗高等問題，而從地球運送的成本非常高昂。因此，能否在火星上就地取材研制催化劑，成為一個關鍵技術問題。此外，低溫、低氣壓、高輻射的火星環境，對人類登陸后“就地研發”很不利。

針對這些問題，中科大和深空探測實驗室科研人員合作，利用自“機器化學家”，從火星隕石中分析并提取成分，研制出一種新型制氧催化劑。

11月10日，中科大科研團隊與工作中的“機器化學家”

中科大合肥微尺度物質科學國家研究中心主任羅毅說，這項研究成功驗證了人工智能可以自動研制新材料，有望為人類在遠離地球的星球上制備氧氣、建造基地、生產食物等作出貢獻，并利用火星資源研制出更多化學品，幫助我們進一步探索太陽系深處。

據悉，中科大研制的“機器化學家”名叫“小來”，它不僅“會學”還“會想”“會做”。這次研制催化劑，根據火星隕石的多種化學成分，一共有376萬多種可能的組合配方，如果靠人類科研團隊一一實驗驗證需要兩千多年。

“機器化學家”研制催化劑全流程示意圖。（中科大供圖）

“‘小來’學習了5萬多篇相關的化學論文，用‘智能大腦’思考并設計出一個基礎配方，然后做實驗并根據結果不斷調整配比，用6周時間找到最佳配方。”江俊說，機器人自主發現并研制化學品，為人類探索星空提供了一條新路。

“機器化學家”是否會對主攻化學的科研人員造成沖擊？

“研究初期有人質疑我說，人家是做顛覆性技術，你是顛覆同事。其實不是這樣的。”江俊說，一個好的工具會帶來很多可能性，科研人員會借此發現更多理論。他舉例說，目前50%的化工能耗用在了分離提純產物上，如果能精準控制、智能設計，不再產生副產物和污染，“綠色化學”才能真正實現。所以，好的工具會讓科研人員“越來越忙”。

江俊認為，今后的化學人才要有扎實的基礎，將專業知識學精，另外要有開放的心態，敢于學習新的知識。

談及未來計劃，江俊說，科研團隊將賦予“小來”五官外形，讓它看起來像真正的化學家一樣，可以聞到化學品的氣味，看到化學品的顏色，感知溫度、濕度和壓力。

他們計劃為機器人安裝紅外探頭和拉曼探頭，使其既有紅外視覺又有可見光視覺。“人類肉眼只能看到大致宏觀的現象，通過光譜，機器人可以把微觀信息理解清楚，預測很多金屬材料的催化活性。”

目前，第一代操作系統支持機器人同時做三個實驗，對設備進行分時復用。未來的第二代系統可以容納百個任務同時進行。他描述了未來“機器化學家”集中做實驗的場景：在高新區的大型實驗室中，有的機器人在地上跑，有的在空中漂浮，還有的在操作臺前忙碌。

在更遠的未來，上百個機器人日均可以完成百萬級操作，上千個化學工作站可以覆蓋所有化學功能。基于這個大平臺，各個課題組的實驗數據交匯、共享，可以產生海量數據，實現自動提煉出數字化的知識圖譜和人工智能模型，進而指導機器人自動優化，產生更好性能、更高效率的化學品或新材料。

“屆時，我們可以坐在咖啡廳，對著屏幕指揮機器人幫我們完成化學研究。”他表示，團隊的終極目標是：未來有一天產生具備創造力的“機器化學家”，建立起數據與智能驅動的化學研究新范式。

資料來源 | 科學大院-江邊、央視新聞、中國青年網、新京報、人民日報、中國科學報