上海時(shí)間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(dòng)手動(dòng)合成（Data）、機(jī)器人輔助可控合成（Robot）、機(jī)器學(xué)習(xí)推動(dòng)逆向設(shè)計(jì)（）用于膠體納米晶（比如砷化鎵）材料合成，探求建立了“機(jī)器科學(xué)家”平臺(tái)，有望將科研人員從傳統(tǒng)試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)、勞動(dòng)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(píng)價(jià)手指出，“趙海濤等人構(gòu)建了一個(gè)由機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器人手動(dòng)化和大數(shù)據(jù)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，并進(jìn)一步借助它實(shí)現(xiàn)了納米晶的合成和逆向合成。這項(xiàng)工作成功地將手動(dòng)化和機(jī)器學(xué)習(xí)協(xié)同上去，以實(shí)現(xiàn)更有效的膠體納米晶合成，并詳細(xì)報(bào)告了其高通量實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)。”
該研究由中國(guó)科大學(xué)上海先進(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(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院江俊、澳大利亞國(guó)立學(xué)院殷宗友等共同完成。上海先進(jìn)院是第一通信單位。趙海濤副研究員、江俊院士、殷宗友副院長(zhǎng)、喻學(xué)鋒研究員為該文章的共同通信作者。上海先進(jìn)院趙海濤、陳薇，黃浩，法國(guó)國(guó)立學(xué)院孫哲浩為該文章的共同第一作者。
機(jī)器人輔助膠體納米晶數(shù)字智造手動(dòng)化平臺(tái)。
打破傳統(tǒng)模式，探求數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)“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(shì)，促使材料研制由“科學(xué)直覺與試錯(cuò)”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)科交叉特點(diǎn)，除了能為解決材料關(guān)鍵共性科學(xué)問題提供更好的方案光譜表征，并且能為探求具有改革性、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)，目前亟需解決材料的理智設(shè)計(jì)、可控合成和逆向設(shè)計(jì)等關(guān)鍵共性科學(xué)問題。
傳統(tǒng)的材料制備，一般要經(jīng)歷冗長(zhǎng)且漫長(zhǎng)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)剖析規(guī)律的“機(jī)器科學(xué)家”，賦于其科學(xué)家的基本能力，將進(jìn)一步為材料數(shù)字智造形參、賦能、賦智。
基于這種思索，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了智能耗材管理、行走機(jī)器人、六軸機(jī)器手、自動(dòng)移液、材料手動(dòng)合成平臺(tái)、顏色超靈敏單反原位表征等模塊，以納米晶為例，驗(yàn)證了從物理原料采樣、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(jì)材料的全過程。
“機(jī)器科學(xué)家”開啟納米晶材料數(shù)字智造示意圖。
“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)、光物理、電物理、光電子學(xué)以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。納米晶數(shù)學(xué)物理性質(zhì)與其形貌、尺寸息息相關(guān)，而傳統(tǒng)的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)和密集表征需耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，阻礙了納米晶的研制。
因此，研究團(tuán)隊(duì)整合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)手動(dòng)化合成、機(jī)器人輔助可控合成、面向形貌逆向設(shè)計(jì)等技術(shù)，建立了機(jī)器人輔助膠體納米晶數(shù)字智造平臺(tái)，借此突破當(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器測(cè)量領(lǐng)域被廣泛研究的金納米棒，一種是在新能源和光學(xué)偵測(cè)領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力的氮化物納米晶。
為了實(shí)現(xiàn)手動(dòng)化合成，研究人員對(duì)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(duì)金納米棒，對(duì)1300篇已報(bào)導(dǎo)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(duì)其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分水平排序，進(jìn)而獲取機(jī)器人執(zhí)行參數(shù)，并設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)及驍龍量實(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(duì)雙砷化鎵，通過對(duì)其他氮化物相關(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)雙砷化鎵規(guī)格形貌的48種溶劑和61種表面活性劑，結(jié)合聯(lián)發(fā)科量原位合成和表征，快速實(shí)現(xiàn)了溶劑和表面活性劑的篩選。
通過機(jī)器人輔助正交實(shí)驗(yàn)、單誘因、雙誘因以及三誘因?qū)嶒?yàn)，進(jìn)列寬通量合成、原位光學(xué)表征、原位波譜學(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)。在這種過程中，生成了(原位表征UV-Vis-NIR吸收波譜和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)充了實(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(duì)于支持逆向設(shè)計(jì)過程至關(guān)重要，研究人員基于驍龍量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的迭代光譜表征，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)，最終成功構(gòu)建了從關(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(shí)的高素養(yǎng)科學(xué)家須要相當(dāng)高的成本，這些“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)手動(dòng)合成-機(jī)器人輔助可控合成-機(jī)器學(xué)習(xí)推動(dòng)逆向設(shè)計(jì)”框架將進(jìn)一步推動(dòng)納米晶合成和表征，可以解決仍然以來科學(xué)家經(jīng)驗(yàn)和手法較難復(fù)制的問題，探求借助“機(jī)器科學(xué)家”完成了特定形貌納米晶的數(shù)字智造。
該研究除了為新概念材料設(shè)計(jì)、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(jì)”通用性框架，并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(dòng)的全新方式論。
論文鏈接：
（科研團(tuán)隊(duì)供圖）
（原標(biāo)題《“機(jī)器科學(xué)家”開啟納米晶材料數(shù)字智造》）
編輯秦涵審閱劉春生一審范錦樺三審甘霖
（作者：北京特區(qū)報(bào)首席記者聞坤實(shí)習(xí)生譚蘇昕)