AI科學家“Organa”：將化學實驗交給機器人

來源：MIT Technology Review

實驗室的科學家們往往要花大量時間處理繁瑣且重複的工作，例如移液液體樣本或反覆進行相同的分析。但如果他們只需給機器人下達指令，就能完成實驗、分析數據，並生成報告呢？

這正是 Organa 的亮點。Organa 是由多倫多大學研究人員開發的一款臺式機器人系統，能夠執行化學實驗。根據該團隊發佈在arXiv預印本平臺上的一篇論文，該系統利用計算機視覺和大語言模型（LLM）的結合，自動化處理部分化學實驗室任務，將科學家的口頭指令轉化爲實驗流程。

多倫多大學的化學家、計算機科學家兼材料科學家 Alán Aspuru-Guzik，也是該項目的負責人之一，他表示：“想象一下，一個機器人可以與人類科學家協作完成化學實驗。”Aspuru-Guzik 的願景是將傳統實驗室自動化提升到一個新高度，最終打造一個能夠自主執行實驗、排除故障，甚至對實驗結果進行反饋的“AI 科學家”。

Organa 的設計十分靈活。與傳統固定的自動化系統不同，它不僅能執行單一任務，還可以根據指令完成多步驟的實驗。系統還配備了可視化工具，能夠實時監控實驗進展並提供反饋。

北卡羅來納州立大學的化學與材料工程師 Milad Abolhasani 評論道：“這是展示如何與 AI 助手在機器人化學實驗室中進行雙向對話的早期案例之一。”他並未參與該項目。

多倫多大學的計算機科學家、項目共同負責人 Florian Shkurti 表示，目前大多數實驗室自動化設備都難以根據化學家的需求靈活調整或重新編程。即使可以編程，也要求化學傢俱備編程能力。而 Organa 則不同，科學家可以直接通過語音傳達實驗需求。科學家給機器人提供實驗目標和設置後，Organa 的 LLM 會將這些自然語言指令轉換爲標準化學描述語言 χDL 代碼。算法會將這些代碼分解爲具體步驟，並生成每個任務的執行路線圖。如果實驗中出現指令不清晰或結果異常，系統還能自動提醒科學家進行解決。

Organa 的硬件組件約有三分之二來自現成的部件，這使得該系統更容易在其他實驗室進行復制，Aspuru-Guzik 說道。機器人還配備了攝像頭探測器，能夠識別不透明物體和透明物體，例如化學燒瓶。

Organa 的第一個實驗任務是表徵醌類分子的電化學特性，這些電活性分子通常用於可充電電池。實驗包含 19 個平行步驟，包括 pH 值測試、溶解度測試、重結晶以及電化學測量等常規化學操作，還包括一個耗時長達六小時的電極預清潔步驟。“化學家們對這個步驟深惡痛絕，”Shkurti 說。

Organa 以與人類相近的時間完成了這 19 個實驗步驟，實驗結果也十分接近。雖然效率未顯著高於手動操作，但如果在夜間運行，機器人可以極大提高生產力。“它可以 24 小時不間斷工作，這是我們始終佔據的優勢，”Shkurti 解釋道。Abolhasani 補充說：“這將爲我們高度專業的科學家節省大量時間，他們可以將精力集中在解決科學問題上，而不是重複實驗室中的常規操作。”

Organa 最具特色的功能可能是它能夠對生成的數據進行反饋。“我們感到驚訝的是，這個視覺語言模型能夠在化學圖表中發現異常點，”Shkurti 解釋道。系統還會標記這些不確定性並建議可能的解決方案。

目前，團隊正致力於提高 LLM 的任務規劃能力，並優化其應對實驗中不確定因素的能力。

Shkurti 表示：“機器人技術可以爲科學家提供巨大的幫助，提升他們的工作效率，獲得更高質量的數據。我非常期待創造更多新的可能性。”

Kristel Tjandra 是居住在瓦胡島的自由科學作家。

https://www.technologyreview.com/2024/10/17/1105122/this-lab-robot-mixes-chemicals/