化學(xué)是一種應(yīng)用物理學(xué)，電子及其產(chǎn)生的行為決定了一系列可以發(fā)生反應(yīng)的規(guī)則，以及哪些產(chǎn)品將保持穩(wěn)定。在傳統(tǒng)的層面上，這些規(guī)則的基礎(chǔ)非常簡(jiǎn)單，經(jīng)驗(yàn)豐富的化學(xué)家可以將它們?nèi)繑?shù)據(jù)保留，并直觀地記錄。如何以他們想要的起始材料的方式將各個(gè)部分組合在一起。然而化學(xué)領(lǐng)域的某些部分我們沒(méi)有多少經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)在某些實(shí)驗(yàn)中，有時(shí)會(huì)發(fā)生奇怪的事情。這就是為什么一些關(guān)鍵藥物仍然必須從生物來(lái)源中純化出來(lái)的原因。
現(xiàn)在，格拉斯哥大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)與可以運(yùn)行和分析其自身化學(xué)反應(yīng)的機(jī)器人配對(duì)。結(jié)果是一個(gè)系統(tǒng)可以計(jì)算出一組給定的起始材料可能發(fā)生的每一個(gè)反應(yīng)。即使這些也不能總是捕獲由于溶劑和反應(yīng)溫度的選擇等因素而產(chǎn)生的一些反應(yīng)結(jié)果。但人工智能的改進(jìn)了許多令人印象深刻的化學(xué)應(yīng)用示范。而且很容易理解為什么這樣有效; 認(rèn)可機(jī)構(gòu)可以找出他們自己的規(guī)則，沒(méi)有化學(xué)教育傳統(tǒng)上給予的相同限制。
組織這項(xiàng)工作的研究員Lee Cronin發(fā)送了一個(gè)設(shè)置圖像，它看起來(lái)與我們典型的機(jī)器人概念不同（研究人員將其稱(chēng)為“定制設(shè)備”）。它的大部分零件都通過(guò)通風(fēng)櫥裝置，確保任何以某種方式系統(tǒng)的產(chǎn)品的安全通風(fēng)。右上方是一組含有起始材料和泵罐，它們將它們送入六個(gè)反應(yīng)室中的一個(gè)，這些反應(yīng)室可以并行操作。
然后可以發(fā)送這些反應(yīng)的結(jié)果用于分析。泵可以將樣品送入紅外光譜儀，質(zhì)譜儀和緊湊型核磁共振儀器，后者是唯一不適合通風(fēng)櫥的設(shè)備?？偟膩?lái)說(shuō)，這些可以產(chǎn)生占據(jù)反應(yīng)室的分子的量化。通過(guò)將其與起始材料結(jié)果進(jìn)行比較，可以確定是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)并推斷出其產(chǎn)品的某些內(nèi)容。
所有這一切都取代了化學(xué)家的手動(dòng)操作，但它并沒(méi)有取代評(píng)估潛在反應(yīng)的大腦。這就是機(jī)器學(xué)習(xí)算法的用武之地。系統(tǒng)給出了一組72個(gè)已知產(chǎn)品的反應(yīng)，并用它們來(lái)預(yù)測(cè)進(jìn)一步反應(yīng)的結(jié)果。在它開(kāi)始從剩余的選項(xiàng)列表中隨機(jī)選擇反應(yīng)，并確定它們是否也生產(chǎn)產(chǎn)品。當(dāng)算法對(duì)總可能反應(yīng)的10％進(jìn)行采樣時(shí)，它能夠以超過(guò)80％的準(zhǔn)確度預(yù)測(cè)未經(jīng)測(cè)試的反應(yīng)的結(jié)果。
并且，由于它所測(cè)試的早期反應(yīng)是隨機(jī)選擇的，因此系統(tǒng)不會(huì)因人類(lèi)對(duì)反應(yīng)會(huì)起什么作用或不起作用的期望而產(chǎn)生偏見(jiàn)。一旦建立了模型，就建立了系統(tǒng)來(lái)評(píng)估哪些剩余的可能反應(yīng)最有可能產(chǎn)生產(chǎn)品并優(yōu)先測(cè)試這些產(chǎn)品。系統(tǒng)可以繼續(xù)進(jìn)行直到達(dá)到一定數(shù)量的反應(yīng)，在一定數(shù)量的測(cè)試不再產(chǎn)生產(chǎn)品后停止，或者直到它測(cè)試每一個(gè)可能的反應(yīng)。研究小組不滿(mǎn)足于這種程度的成功，繼續(xù)增加一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)提供了研究文獻(xiàn)中關(guān)于連接兩個(gè)烴鏈的一類(lèi)反應(yīng)產(chǎn)率的數(shù)據(jù)。在對(duì)近3500次反應(yīng)進(jìn)行培訓(xùn)后，該系統(tǒng)在預(yù)測(cè)文獻(xiàn)中另外1700個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)量時(shí)誤差僅為11％。
然后將該系統(tǒng)與現(xiàn)有的測(cè)試裝置集成，并在文獻(xiàn)中未報(bào)道的反應(yīng)中數(shù)據(jù)。這使得系統(tǒng)不僅優(yōu)先考慮反應(yīng)是否可能產(chǎn)生產(chǎn)物，而且優(yōu)先考慮反應(yīng)產(chǎn)生多少產(chǎn)物。所有這些就其本身而言，已經(jīng)是很大的突破。正如他們所說(shuō)，“通過(guò)僅實(shí)現(xiàn)反應(yīng)總數(shù)的10％，我們可以預(yù)測(cè)其余90％的結(jié)果，而無(wú)需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。” 但該系統(tǒng)還幫助他們找出了一些意外情況，反應(yīng)混合物的結(jié)果表明該產(chǎn)品不僅僅是原料的簡(jiǎn)單組合。實(shí)際的人類(lèi)化學(xué)家進(jìn)一步探索了這些反應(yīng)，他們通過(guò)這種方式確定了破環(huán)和成環(huán)反應(yīng)。
最后一個(gè)方面在解釋這種能力如何適應(yīng)未來(lái)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室方面確實(shí)有很長(zhǎng)的路要走。人們傾向于將機(jī)器人視為取代人類(lèi)。但在這種情況下，沒(méi)有理智的人會(huì)考慮嘗試每種可能的反應(yīng)物組合，看看他們做了什么，人類(lèi)無(wú)法進(jìn)行24小時(shí)測(cè)試。這些機(jī)器人還擅長(zhǎng)識(shí)別極少數(shù)情況，即訓(xùn)練有素的直覺(jué)導(dǎo)致我們誤解了嘗試某些反應(yīng)的效用。
但就目前而言，人類(lèi)將有必要將這些知識(shí)整合到有用的化學(xué)中，認(rèn)識(shí)到在部署任何新的或有效的反應(yīng)時(shí)可能會(huì)使以前效率低下的過(guò)程，或無(wú)法獲得的產(chǎn)品的可行使用?？赡芪磥?lái)人工智能會(huì)幫助解決這個(gè)問(wèn)題，但我們需要很努力來(lái)實(shí)現(xiàn)這些想要的結(jié)果。
