在AI的指導(dǎo)下機(jī)器人平臺可自動化分子制造

在人工智能和機(jī)器人平臺的支持下，麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)的系統(tǒng)向自動化生產(chǎn)可用于醫(yī)學(xué)，太陽能和聚合物化學(xué)的小分子邁進(jìn)了一步。

據(jù)該研究共同領(lǐng)導(dǎo)人Klavs F. 所述，該系統(tǒng)在8月8日出版的“ 科學(xué)”雜志中有所描述，它可以讓替補(bǔ)化學(xué)家擺脫各種常規(guī)和耗時的任務(wù)，并可能提出如何制造新分子化合物的可能性。 Jensen，Warren K. Lewis化學(xué)工程教授，Timothy F. Jamison，Robert R. Taylor化學(xué)教授和麻省理工學(xué)院副教務(wù)長。

Jensen說，這項技術(shù)“有望幫助人們減少分子構(gòu)建的所有繁瑣部分”，包括查找潛在的反應(yīng)途徑，并在每次生產(chǎn)新分子時構(gòu)建分子裝配線的組件。

“作為化學(xué)家，它可能會給你以前沒想過的新反應(yīng)的靈感，”他補(bǔ)充道。

新系統(tǒng)結(jié)合了三個主要步驟。首先，由人工智能指導(dǎo)的軟件提出了合成分子的途徑，然后專家化學(xué)家審查這條路線并將其細(xì)化為化學(xué)“配方”，最后將配方發(fā)送到機(jī)器人平臺，自動組裝硬件并執(zhí)行反應(yīng)構(gòu)建分子。

Coley和他的同事已經(jīng)工作了三年多，開發(fā)了開源軟件套件，該套件建議并優(yōu)先考慮可能的合成路線。該軟件的核心是幾種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，研究人員對Reaxys和專利商標(biāo)局?jǐn)?shù)據(jù)庫中數(shù)百萬先前發(fā)表的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了培訓(xùn)。該軟件使用這些數(shù)據(jù)來確定它認(rèn)為適合構(gòu)建新化合物的反應(yīng)轉(zhuǎn)化和條件。

“這有助于對使用何種中間體和起始材料做出高層次的決策，然后對你可能想要使用的條件以及這些反應(yīng)是否成功進(jìn)行更詳細(xì)的分析，”Coley說。

“該軟件設(shè)計背后的主要動機(jī)之一是，它不僅僅為您提供我們所知道的分子或我們所知道的反應(yīng)的建議，”他指出。“它可以推廣到從未制造過的新分子。”

然后，化學(xué)家審查軟件產(chǎn)生的建議合成路線，以建立更完整的目標(biāo)分子配方?；瘜W(xué)家有時需要進(jìn)行實驗室實驗或修改試劑濃度和反應(yīng)溫度等變化。

“他們從人工智能中獲取一些靈感并將其轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的配方文件，主要是因為目前的化學(xué)文獻(xiàn)沒有足夠的信息直接從靈感轉(zhuǎn)移到自動化系統(tǒng)上執(zhí)行，”賈米森說。

然后將最終配方加載到平臺上，其中機(jī)器人臂將模塊化反應(yīng)器，分離器和其他處理單元組裝成連續(xù)流動路徑，連接引入分子成分的泵和管線。

“您加載配方 - 這就是控制機(jī)器人平臺的原因 - 您加載試劑，然后按下去，這樣就可以生成感興趣的分子，”Thomas說。“然后當(dāng)它完成時，它會沖洗系統(tǒng)，你可以加載下一組試劑和配方，然后讓它運行。”

與研究人員去年提出的連續(xù)流動系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)必須在每次合成后手動配置，新系統(tǒng)完全由機(jī)器人平臺配置。

“這使我們能夠?qū)σ粋€接一個的分子進(jìn)行測序，并在系統(tǒng)上自動生成分子庫，”Jensen說。

該平臺的設(shè)計大小約為2立方米 - 略小于標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)通風(fēng)櫥 - 類似于電話交換機(jī)和操作員系統(tǒng)，可在平臺上的模塊之間移動連接。

“機(jī)器人手臂使我們能夠操縱流體路徑，這減少了工藝模塊的數(shù)量和系統(tǒng)的流體復(fù)雜性，并且通過降低流體復(fù)雜性，我們可以增加分子的復(fù)雜性，”Thomas說。“這使我們能夠添加額外的反應(yīng)步驟，并擴(kuò)大可在相對較小的占地面積內(nèi)完成的反應(yīng)集。”

研究人員通過創(chuàng)建15種不同合成復(fù)雜度的不同藥用小分子來測試整個系統(tǒng)，最簡單的創(chuàng)作過程需要兩個小時，制造多種化合物需要大約68小時。

該團(tuán)隊合成了多種化合物：阿司匹林和抗生素secnidazole背靠背過程; 止痛藥利多卡因和抗焦慮藥物地西泮在背靠背過程中使用常用的試劑原料; 血液稀釋劑華法林和帕金森病藥物safinamide，以顯示該軟件如何設(shè)計具有相似分子成分但不同的三維結(jié)構(gòu)的化合物; 和一系列五種ACE抑制劑藥物和一系列四種非甾體類抗炎藥。

“我對化學(xué)的多樣性和不同化學(xué)反應(yīng)的種類感到特別自豪，”Jamison說，他說該系統(tǒng)處理了大約30種不同的反應(yīng)，而之前的連續(xù)流系統(tǒng)中有大約12種不同的反應(yīng)。

“我們真的試圖縮小這些程序產(chǎn)生的想法與實際運行合成所需的差距，”Coley說。“我們希望下一代系統(tǒng)能夠進(jìn)一步增加科學(xué)家將精力集中在創(chuàng)造力和設(shè)計上的時間和精力。”

該研究部分得到了國防高級研究計劃局(DARPA)的Make-It計劃的支持。