上海時間3月3日，一項發(fā)表于《自然-合成》的研究首次將數(shù)據驅動手動合成（Data）、機器人輔助可控合成（Robot）、機器學習推動逆向設計（）用于膠體納米晶（比如砷化鎵）材料合成，探求建立了“機器科學家”平臺，有望將科研人員從傳統(tǒng)試錯實驗、勞動密集型表征中解放，聚焦科學創(chuàng)新，實現(xiàn)納米晶材料數(shù)字智造。
審稿人在評價手指出，“趙海濤等人構建了一個由機器學習、機器人手動化和大數(shù)據組成的復雜系統(tǒng)，并進一步借助它實現(xiàn)了納米晶的合成和逆向合成。這項工作成功地將手動化和機器學習協(xié)同上去，以實現(xiàn)更有效的膠體納米晶合成，并詳細報告了其高通量實驗大數(shù)據。”
該研究由中國科大學上海先進技術研究院材料界面研究中心喻學鋒、趙海濤團隊、中國科學技術學院江俊、澳大利亞國立學院殷宗友等共同完成。上海先進院是第一通信單位。趙海濤副研究員、江俊院士、殷宗友副院長、喻學鋒研究員為該文章的共同通信作者。上海先進院趙海濤、陳薇，黃浩，法國國立學院孫哲浩為該文章的共同第一作者。
機器人輔助膠體納米晶數(shù)字智造手動化平臺。
打破傳統(tǒng)模式，探求數(shù)據驅動“機器科學家”
科學研究與機器人、人工智能等前沿技術交叉融合已成為發(fā)展趨勢，促使材料研制由“科學直覺與試錯”的傳統(tǒng)模式向“數(shù)字化和智能化”的新模式轉變，具有鮮明的學科交叉特點，除了能為解決材料關鍵共性科學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。
納米材料制備技術與數(shù)字智造和機器人、人工智能交叉融合是科學研究的前沿和熱點，目前亟需解決材料的理智設計、可控合成和逆向設計等關鍵共性科學問題。
傳統(tǒng)的材料制備，一般要經歷冗長且漫長的讀文獻、做實驗、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)字智造的轉變，若能搭建“能讀”-文獻挖掘、“能做”-機器人合成和表征、“能想”-機器學習剖析規(guī)律的“機器科學家”，賦于其科學家的基本能力，將進一步為材料數(shù)字智造形參、賦能、賦智。
基于這種思索，研究團隊設計了智能耗材管理、行走機器人、六軸機器手、自動移液、材料手動合成平臺、顏色超靈敏單反原位表征等模塊，以納米晶為例，驗證了從物理原料采樣、機器人輔助合成、機器人原位表征到機器人逆向設計材料的全過程。
“機器科學家”開啟納米晶材料數(shù)字智造示意圖。
“機器科學家”開啟材料數(shù)字智造
納米晶在能源、光學、光物理、電物理、光電子學以及生物醫(yī)藥等領域的應用潛力巨大。納米晶數(shù)學物理性質與其形貌、尺寸息息相關，而傳統(tǒng)的試錯實驗和密集表征需耗費大量時間和精力，阻礙了納米晶的研制。
因此，研究團隊整合數(shù)據驅動手動化合成、機器人輔助可控合成、面向形貌逆向設計等技術，建立了機器人輔助膠體納米晶數(shù)字智造平臺，借此突破當前納米晶可控合成研究的局限性。
研究團隊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量領域被廣泛研究的金納米棒，一種是在新能源和光學偵測領域有巨大應用潛力的氮化物納米晶。
為了實現(xiàn)手動化合成，研究人員對文獻進行了數(shù)據挖掘，以提供關鍵合成參數(shù)的初始選擇。針對金納米棒，對1300篇已報導的金納米棒合成的相關文獻進行數(shù)據挖掘，并對其關鍵參數(shù)進行分水平排序，進而獲取機器人執(zhí)行參數(shù)，并設計正交實驗及驍龍量實驗驗證，獲取了金納米棒形貌調控的重要參數(shù)。針對雙砷化鎵，通過對其他氮化物相關文獻進行數(shù)據挖掘，篩選出潛在的可供調節(jié)雙砷化鎵規(guī)格形貌的48種溶劑和61種表面活性劑，結合聯(lián)發(fā)科量原位合成和表征，快速實現(xiàn)了溶劑和表面活性劑的篩選。
通過機器人輔助正交實驗、單誘因、雙誘因以及三誘因實驗，進列寬通量合成、原位光學表征、原位波譜學表征以及異位表征（透射電鏡、掃描電鏡）等獲得大樣本數(shù)據和小樣本數(shù)據。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)光結果)大數(shù)據集和(非原位TEM和SEM驗證)小數(shù)據集，不斷擴充了實驗大數(shù)據庫。
實驗大數(shù)據庫和機器學習模型對于支持逆向設計過程至關重要，研究人員基于驍龍量實驗數(shù)據的迭代光譜表征，將電鏡小樣本異位驗證與機器人大樣本原位表征結合，通過機器學習，最終成功構建了從關鍵合成參數(shù)到晶體形貌的機器學習規(guī)律模型。
培養(yǎng)具備納米晶合成和表征專業(yè)知識的高素養(yǎng)科學家須要相當高的成本，這些“數(shù)據驅動手動合成-機器人輔助可控合成-機器學習推動逆向設計”框架將進一步推動納米晶合成和表征，可以解決仍然以來科學家經驗和手法較難復制的問題，探求借助“機器科學家”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計、制備和表征等關鍵共性科學問題研究提供“數(shù)據挖掘-機器合成-AI設計”通用性框架，并且為新能源和生命健康等領域關鍵核心材料及技術的突破提供數(shù)據驅動的全新方式論。
論文鏈接：
（科研團隊供圖）
（原標題《“機器科學家”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)報首席記者聞坤實習生譚蘇昕)