今天也要做實(shí)驗(yàn)嗎？不必了，現(xiàn)在有機(jī)器人可以幫忙。
在化學(xué)、生物等領(lǐng)域，不少研究生的生活可以被形容為「7-11」：一周工作 7 天，每天 11 個(gè)小時(shí)。很多學(xué)生需要每天早上八九點(diǎn)來(lái)到組里，晚上十點(diǎn)才能離開，周末則是開組會(huì)的時(shí)間。
近日，來(lái)自利物浦大學(xué)的研究者開發(fā)了一款「007」機(jī)器人，一天二十幾個(gè)小時(shí)都泡在實(shí)驗(yàn)室里，8 天就能完成 688 個(gè)實(shí)驗(yàn)，還自己發(fā)現(xiàn)了一種高效催化劑，就問(wèn)你怕不怕？
昨天，這款機(jī)器人登上了最新一期《自然》雜志封面。
在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，自動(dòng)化技術(shù)正在興起，但迄今為止我們所說(shuō)的「自動(dòng)化」還僅限于一些儀器和定制界面，讓部分機(jī)械與設(shè)備協(xié)同工作。利物浦大學(xué)的 Andrew Cooper 等人最近使用汽車生產(chǎn)過(guò)程中流水線上的工業(yè)機(jī)器人在濕化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了和人類一樣的工作能力?，F(xiàn)在，機(jī)器人可以使用和人類一樣的工具做實(shí)驗(yàn)了。
據(jù)介紹，這一團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，研究了提高聚合物光催化性的能力。在八天的時(shí)間里，機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行了多達(dá) 43 批，688 次實(shí)驗(yàn)，并找到了活性比初始配方高六倍的光催化劑混合物——如果讓人類做同樣的事需要花費(fèi)數(shù)月之久。
這款機(jī)器人身高 1.75 米，和人的個(gè)頭差不多，使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也和人類相差無(wú)幾。但它的優(yōu)勢(shì)在于，即使每天都泡在實(shí)驗(yàn)室它也不會(huì)抑郁，24 個(gè)小時(shí)里有 21.5 小時(shí)都拿來(lái)工作，剩下 2.5 個(gè)小時(shí)拿來(lái)充電。與其他化學(xué)機(jī)器人相比，這款機(jī)器人的靈活度大大提高，可以在實(shí)驗(yàn)室隨意走動(dòng)。
機(jī)器人研究員進(jìn)行的首個(gè)實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是確定一種不會(huì)不可逆分解的生物來(lái)源清除劑，而長(zhǎng)期目標(biāo)則是開發(fā)可逆的氧化還原對(duì)。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)選擇的光催化劑是 P10，這是一種在 TEOA28 存在下顯示出良好 HER 的共軛聚合物。
在這里，除了專門為該實(shí)驗(yàn)流程而構(gòu)建的加蓋站和光解站之外，其他的實(shí)驗(yàn)步驟都使用了常規(guī)的商業(yè)儀器，沒(méi)有對(duì)物理硬件進(jìn)行任何修改：在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)器人以與人類研究人員基本相同的方式來(lái)操作它們。
在硬件方面，這款機(jī)器人借助激光掃描和觸覺(jué)反饋與外界進(jìn)行交互。
在軟件方面，這款機(jī)器人使用搜索算法，在超過(guò) 9800 萬(wàn)個(gè)試驗(yàn)候選中進(jìn)行十維空間導(dǎo)航，根據(jù)前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果決定下一步做法。通過(guò)這樣的做法，它在沒(méi)有人類團(tuán)隊(duì)成員指導(dǎo)的情況下自動(dòng)發(fā)現(xiàn)了活性提高了六倍的催化劑。8 天內(nèi)共計(jì)完成了 172 小時(shí)的工作，移動(dòng) 319 次，操作 6500 次，在實(shí)驗(yàn)室里的行程達(dá) 2.17 公里。
在找到高效催化劑的過(guò)程中，所有的實(shí)驗(yàn)任務(wù)都是由它獨(dú)立完成的，如稱重、配液、抽出容器中的空氣、進(jìn)行催化反應(yīng)、計(jì)量反應(yīng)產(chǎn)物等。
機(jī)器人正在進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)流程。
利物浦大學(xué)的博士生 Benjamin Burger 負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，他表示：「最大的挑戰(zhàn)是讓整個(gè)系統(tǒng)具有魯棒性。要想讓機(jī)器人在很多天里平穩(wěn)自動(dòng)工作，進(jìn)行數(shù)千次精細(xì)操作，每次任務(wù)的失敗概率必須非常低。而一旦體系構(gòu)建完成，機(jī)器人在工作時(shí)犯錯(cuò)的概率可要比人類低很多?！?/div>
由于實(shí)驗(yàn)室里的所有站點(diǎn)都裝有 24 小時(shí)工作的攝像頭，絕大多數(shù)時(shí)間里實(shí)驗(yàn)過(guò)程都不需要有人進(jìn)行看管，如有出錯(cuò)遠(yuǎn)程重啟就可以了。
該項(xiàng)目是由利物浦大學(xué)化學(xué)和材料系的安德魯 · 庫(kù)珀（Andrew Cooper）教授領(lǐng)導(dǎo)的，他表示：「與其讓試驗(yàn)器械自動(dòng)化，我們的策略是讓實(shí)驗(yàn)者本身自動(dòng)化起來(lái)。這就可以實(shí)現(xiàn)很大程度上的靈活性，讓我們工作的方式更加自由。它不僅僅是實(shí)驗(yàn)室里的一臺(tái)儀器：而是一個(gè)有超能力的團(tuán)隊(duì)成員，它為人類研究人員騰出了思考所用的時(shí)間。」
最后研究人員還表示，目前的設(shè)計(jì)是在機(jī)器人電量低于 25% 時(shí)，在兩個(gè)作業(yè)之間自動(dòng)進(jìn)行充電。但由于有些時(shí)候還需要等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以在這次實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人有電，但處于暫停狀態(tài)的時(shí)間占 32%（主要是在等待氣相色譜儀分析結(jié)果）。
所以理論上「機(jī)器人研究員」的工作效率還可以繼續(xù)提高。
利物浦大學(xué)的研究人員開源了實(shí)驗(yàn)室站點(diǎn)的設(shè)計(jì)：
https://bitbucket.org/ben_burger/kuka_workflow
機(jī)器人工作代碼：
https://github.com/Taurnist/kuka_workflow_tantalus
參考內(nèi)容：
https://phys.org/news/2020-07-robot-scientist-catalyst.html
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2442-2
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