“機(jī)器科學(xué)家”開啟納米晶材料數(shù)字智造

 “機(jī)器科學(xué)家”開啟納米晶材料數(shù)字智造

100多年前，偉大的發(fā)明家愛迪生通過6000多種材料嘗試和7000多次亮燈實(shí)驗(yàn)，最后造出了能亮45小時的電燈。但這種依靠科學(xué)家經(jīng)驗(yàn)的試錯和勞動密集實(shí)驗(yàn)依舊運(yùn)用在當(dāng)今的新材料研發(fā)中。

隨著材料基因組、機(jī)器人、人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動科學(xué)發(fā)現(xiàn)（Data driven scientific discovery）繼“實(shí)驗(yàn)范式”、“理論范式”和“仿真范式”正成為“第四研究范式”。統(tǒng)籌運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)、數(shù)字化思維、數(shù)字化認(rèn)知，探索第四范式與材料學(xué)科的交叉融合，將為發(fā)展新型材料制備技術(shù)與數(shù)字智造提供全新的方法論。

3月3日，一項(xiàng)發(fā)表于《自然-合成》的研究首次將數(shù)據(jù)驅(qū)動自動合成（Data driven automated synthesis）、機(jī)器人輔助可控合成（Robot assisted controllable synthesis）、機(jī)器學(xué)習(xí)促進(jìn)逆向設(shè)計（Machine learning facilitated inverse design）用于膠體納米晶（例如鈣鈦礦）材料合成，探索構(gòu)建了“機(jī)器科學(xué)家”平臺，有望將科研人員從傳統(tǒng)試錯實(shí)驗(yàn)、勞動密集型表征中解放，聚焦科學(xué)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)納米晶材料數(shù)字智造。



審稿人在評價中指出，“趙海濤等人建立了一個由機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器人自動化和大數(shù)據(jù)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，并進(jìn)一步利用它實(shí)現(xiàn)了納米晶的合成和逆向合成。這項(xiàng)工作成功地將自動化和機(jī)器學(xué)習(xí)協(xié)同起來，以實(shí)現(xiàn)更有效的膠體納米晶合成，并詳盡報告了其高通量實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)。”


該研究由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料界面研究中心喻學(xué)鋒、趙海濤團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)江俊、澳大利亞國立大學(xué)殷宗友等共同完成。深圳先進(jìn)院是第一通訊單位。趙海濤副研究員、江俊教授、殷宗友副教授、喻學(xué)鋒研究員為該文章的共同通訊作者。深圳先進(jìn)院趙海濤、陳薇，黃浩，澳大利亞國立大學(xué)孫哲浩為該文章的共同第一作者。

打破傳統(tǒng)模式，探索數(shù)據(jù)驅(qū)動“機(jī)器科學(xué)家”

科學(xué)研究與機(jī)器人、人工智能等前沿技術(shù)交叉融合已成為發(fā)展趨勢，推動材料研發(fā)由“科學(xué)直覺與試錯”的傳統(tǒng)模式向“數(shù)字化和智能化”的新模式轉(zhuǎn)變，具有鮮明的學(xué)科交叉特征，不僅能為解決材料關(guān)鍵共性科學(xué)問題提供更好的方案，而且能為探索具有變革性、顛覆性的新概念材料提供更大的可能。

納米材料制備技術(shù)與數(shù)字智造和機(jī)器人、人工智能交叉融合是科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)，目前亟待解決材料的理性設(shè)計、可控合成和逆向設(shè)計等關(guān)鍵共性科學(xué)問題。

傳統(tǒng)的材料制備，通常要經(jīng)歷繁雜且漫長的讀文獻(xiàn)，做實(shí)驗(yàn)，想規(guī)律等階段。想要突破從傳統(tǒng)的材料合成到材料數(shù)字智造的轉(zhuǎn)變，若能搭建“能讀”-文獻(xiàn)挖掘、“能做”-機(jī)器人合成和表征、“能想”-機(jī)器學(xué)習(xí)分析規(guī)律的“機(jī)器科學(xué)家”，賦予其科學(xué)家的基本能力，將進(jìn)一步為材料數(shù)字智造賦值、賦能、賦智。

基于這些思考，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計了智能耗材管理、行走機(jī)器人、六軸機(jī)器手、自動移液、材料自動合成平臺、顏色超靈敏相機(jī)原位表征等模塊，以納米晶為例，驗(yàn)證了從化學(xué)原料取樣、機(jī)器人輔助合成、機(jī)器人原位表征到機(jī)器人逆向設(shè)計材料的全過程。

“機(jī)器科學(xué)家”開啟材料數(shù)字智造

納米晶在能源、光學(xué)、光化學(xué)、電化學(xué)、光電子學(xué)以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。納米晶物理化學(xué)性質(zhì)與其形貌、尺寸息息相關(guān)，而傳統(tǒng)的試錯實(shí)驗(yàn)和密集表征需花費(fèi)大量時間和精力，制約了納米晶的研發(fā)。

為此，研究團(tuán)隊(duì)整合數(shù)據(jù)驅(qū)動自動化合成、機(jī)器人輔助可控合成、面向形貌逆向設(shè)計等技術(shù)，構(gòu)建了機(jī)器人輔助膠體納米晶數(shù)字智造平臺，以此突破當(dāng)前納米晶可控合成研究的局限性。

研究團(tuán)隊(duì)以兩種典型的膠體納米晶為研究范例，一種是目前在生物傳感檢測領(lǐng)域被廣泛研究的金納米棒，一種是在新能源和光學(xué)探測領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力的鈣鈦礦納米晶。

為了實(shí)現(xiàn)自動化合成，研究人員對文獻(xiàn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)挖掘，以提供關(guān)鍵合成參數(shù)的初始選擇。針對金納米棒，對1300篇已報道的金納米棒合成的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并對其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分水平排序，從而獲取機(jī)器人執(zhí)行參數(shù)，并設(shè)計正交實(shí)驗(yàn)及高通量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲取了金納米棒形貌調(diào)控的重要參數(shù)。針對雙鈣鈦礦，通過對其他鈣鈦礦相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，篩選出潛在的可供調(diào)節(jié)雙鈣鈦礦尺寸形貌的48種溶劑和61種表面活性劑，結(jié)合高通量原位合成和表征，快速實(shí)現(xiàn)了溶劑和表面活性劑的篩選。


進(jìn)一步地，通過機(jī)器人輔助正交實(shí)驗(yàn)、單因素、雙因素以及三因素實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行高通量合成、原位光學(xué)表征、原位光譜學(xué)表征以及異位表征（透射電鏡、掃描電鏡）等獲得大樣本數(shù)據(jù)和小樣本數(shù)據(jù)。在這些過程中，生成了 (原位表征UV-Vis-NIR吸收光譜和RGB光致發(fā)光結(jié)果) 大數(shù)據(jù)集和 (非原位TEM和SEM驗(yàn)證) 小數(shù)據(jù)集，不斷擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)庫。

實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)庫和機(jī)器學(xué)習(xí)模型對于支持逆向設(shè)計過程至關(guān)重要，研究人員基于高通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的迭代，將電鏡小樣本異位驗(yàn)證與機(jī)器人大樣本原位表征結(jié)合，通過機(jī)器學(xué)習(xí)，最終成功建立了從關(guān)鍵合成參數(shù)到晶體形貌的機(jī)器學(xué)習(xí)規(guī)律模型。

培養(yǎng)具備納米晶合成和表征專業(yè)知識的高素質(zhì)科學(xué)家需要相當(dāng)高的成本，這種“數(shù)據(jù)驅(qū)動自動合成-機(jī)器人輔助可控合成-機(jī)器學(xué)習(xí)促進(jìn)逆向設(shè)計”框架將進(jìn)一步助力納米晶合成和表征，可以解決一直以來科學(xué)家經(jīng)驗(yàn)和手法較難復(fù)制的問題，探索利用“機(jī)器科學(xué)家”完成了特定形貌納米晶的數(shù)字智造。

該研究不僅為新概念材料設(shè)計、制備和表征等關(guān)鍵共性科學(xué)問題研究提供“數(shù)據(jù)挖掘-機(jī)器合成-AI設(shè)計”通用性框架，而且為新能源和生命健康等領(lǐng)域關(guān)鍵核心材料及技術(shù)的突破提供數(shù)據(jù)驅(qū)動的全新方法論。（刁雯蕙/文 科研團(tuán)隊(duì)/圖）