8天完成688次实验,独立发现催化剂

8天完成688次实验,独立发现催化剂

来源:机器之心  时间:2020-07-10

今天也要做实验吗?不必了,现在有机器人可以帮忙。

在化学、生物等领域,不少研究生的生活可以被形容为「7-11」:一周工作 7 天,每天 11 个小时。很多学生需要每天早上八九点来到组里,晚上十点才能离开,周末则是开组会的时间。
近日,来自利物浦大学的研究者开发了一款「007」机器人,一天二十几个小时都泡在实验室里,8 天就能完成 688 个实验,还自己发现了一种高效催化剂,就问你怕不怕?
昨天,这款机器人登上了最新一期《自然》杂志封面。

在化学实验室里,自动化技术正在兴起,但迄今为止我们所说的「自动化」还仅限于一些仪器和定制界面,让部分机械与设备协同工作。利物浦大学的 Andrew Cooper 等人最近使用汽车生产过程中流水线上的工业机器人在湿化学实验室中实现了和人类一样的工作能力。现在,机器人可以使用和人类一样的工具做实验了。

据介绍,这一团队对机器人进行编程,研究了提高聚合物光催化性的能力。在八天的时间里,机器人自动进行了多达 43 批,688 次实验,并找到了活性比初始配方高六倍的光催化剂混合物——如果让人类做同样的事需要花费数月之久。

这款机器人身高 1.75 米,和人的个头差不多,使用的实验设备也和人类相差无几。但它的优势在于,即使每天都泡在实验室它也不会抑郁,24 个小时里有 21.5 小时都拿来工作,剩下 2.5 个小时拿来充电。与其他化学机器人相比,这款机器人的灵活度大大提高,可以在实验室随意走动。

机器人研究员进行的首个实验,目标是确定一种不会不可逆分解的生物来源清除剂,而长期目标则是开发可逆的氧化还原对。实验团队选择的光催化剂是 P10,这是一种在 TEOA28 存在下显示出良好 HER 的共轭聚合物。
在这里,除了专门为该实验流程而构建的加盖站和光解站之外,其他的实验步骤都使用了常规的商业仪器,没有对物理硬件进行任何修改:在整个实验过程中,机器人以与人类研究人员基本相同的方式来操作它们。

 


在硬件方面,这款机器人借助激光扫描和触觉反馈与外界进行交互。
在软件方面,这款机器人使用搜索算法,在超过 9800 万个试验候选中进行十维空间导航,根据前一个实验的结果决定下一步做法。通过这样的做法,它在没有人类团队成员指导的情况下自动发现了活性提高了六倍的催化剂。8 天内共计完成了 172 小时的工作,移动 319 次,操作 6500 次,在实验室里的行程达 2.17 公里。
在找到高效催化剂的过程中,所有的实验任务都是由它独立完成的,如称重、配液、抽出容器中的空气、进行催化反应、计量反应产物等。

 


机器人正在进行的一系列实验流程。

利物浦大学的博士生 Benjamin Burger 负责对机器人进行编程,他表示:「最大的挑战是让整个系统具有鲁棒性。要想让机器人在很多天里平稳自动工作,进行数千次精细操作,每次任务的失败概率必须非常低。而一旦体系构建完成,机器人在工作时犯错的概率可要比人类低很多。」
由于实验室里的所有站点都装有 24 小时工作的摄像头,绝大多数时间里实验过程都不需要有人进行看管,如有出错远程重启就可以了。
该项目是由利物浦大学化学和材料系的安德鲁 · 库珀(Andrew Cooper)教授领导的,他表示:「与其让试验器械自动化,我们的策略是让实验者本身自动化起来。这就可以实现很大程度上的灵活性,让我们工作的方式更加自由。它不仅仅是实验室里的一台仪器:而是一个有超能力的团队成员,它为人类研究人员腾出了思考所用的时间。」
最后研究人员还表示,目前的设计是在机器人电量低于 25% 时,在两个作业之间自动进行充电。但由于有些时候还需要等待实验结果,所以在这次实验中机器人有电,但处于暂停状态的时间占 32%(主要是在等待气相色谱仪分析结果)。
所以理论上「机器人研究员」的工作效率还可以继续提高。

利物浦大学的研究人员开源了实验室站点的设计:https://bitbucket.org/ben_burger/kuka_workflow
机器人工作代码:https://github.com/Taurnist/kuka_workflow_tantalus
参考内容:https://phys.org/news/2020-07-robot-scientist-catalyst.htmlhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2442-2