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I chimici dell’Università di Amsterdam (UvA) hanno sviluppato un robot autonomo per la sintesi chimica con un’unità di apprendimento automatico integrata basata sull’intelligenza artificiale. Soprannominato “RoboChem”, il dispositivo da banco può superare le prestazioni di un chimico umano in termini di velocità e precisione, dimostrando allo stesso tempo un alto livello di ingegnosità. Essendo il primo nel suo genere, potrebbe accelerare in modo significativo la scoperta chimica di molecole per applicazioni farmaceutiche e molte altre applicazioni. I primi risultati di RoboChem sono stati pubblicati il 25 gennaio sulla rivista Scienza.
RoboChem è stato sviluppato dal gruppo del Prof. Timothy Noël presso l’Istituto di Scienze Molecolari Van ‘t Hoff dell’UvA. Il loro articolo dimostra che RoboChem è un chimico preciso e affidabile in grado di eseguire una varietà di reazioni producendo quantità minime di rifiuti. Lavorando in modo autonomo 24 ore su 24, il sistema fornisce risultati in modo rapido e instancabile. Noël: ‘In una settimana possiamo ottimizzare la sintesi di circa dieci-venti molecole. Questo richiederebbe a uno studente di dottorato diversi mesi.’ Il robot non solo fornisce le migliori condizioni di reazione, ma fornisce anche le impostazioni per lo scale-up. “Ciò significa che possiamo produrre quantità direttamente rilevanti, ad esempio, per i fornitori dell’industria farmaceutica.”
Il “cervello” di RoboChem
L’esperienza del gruppo Noël è presente chimica del flusso, un nuovo modo di eseguire attività chimiche in cui un sistema di tubi piccoli e flessibili sostituisce bicchieri, matracci e altri strumenti chimici tradizionali. In RoboChem, un ago robotico raccoglie con cura i materiali di partenza e li mescola insieme in piccoli volumi di poco più di mezzo millilitro. Questi poi fluiscono attraverso il sistema di tubi verso il reattore. Lì, la luce dei potenti LED innesca la conversione molecolare attivando un fotocatalizzatore contenuto nella miscela di reazione. Il flusso prosegue poi verso uno spettrometro NMR automatizzato che identifica le molecole trasformate. Questi dati vengono restituiti in tempo reale al computer che controlla RoboChem. “Questo è il cervello dietro RoboChem”, afferma Noël. ‘Elabora le informazioni utilizzando l’intelligenza artificiale. Utilizziamo un algoritmo di apprendimento automatico che determina autonomamente quali reazioni eseguire. Mira sempre al risultato ottimale e perfeziona costantemente la sua comprensione della chimica.’
Ingegnosità impressionante
Il gruppo si è impegnato molto per convalidare i risultati di RoboChem. Tutte le molecole ora incluse nel documento di Science sono state isolate e controllate manualmente. Noël afferma che il sistema lo ha impressionato per la sua ingegnosità: ‘Lavoro sulla fotocatalisi ormai da più di un decennio. Tuttavia, RoboChem ha mostrato risultati che non avrei potuto prevedere. Ad esempio, ha identificato reazioni che richiedono solo pochissima luce. A volte dovevo grattarmi la testa per capire cosa avesse fatto. Ti chiedi allora: avremmo fatto lo stesso? In retrospettiva, puoi vedere la logica di RoboChem. Ma dubito che anche noi avremmo ottenuto gli stessi risultati. O almeno non così velocemente.”
I ricercatori hanno utilizzato RoboChem anche per replicare ricerche precedenti pubblicate in quattro articoli selezionati casualmente. Hanno poi determinato se Robochem avesse prodotto gli stessi risultati, o addirittura migliori. ‘In circa l’80% dei casi, il sistema ha prodotto rendimenti migliori. Per il restante 20% i risultati sono stati simili”, spiega Noël. “Ciò non mi lascia alcun dubbio sul fatto che un approccio assistito dall’intelligenza artificiale sarà vantaggioso per la scoperta chimica nel senso più ampio possibile.”
Scoperte nella chimica utilizzando l’intelligenza artificiale
Secondo Noël, l’importanza di RoboChem e di altra chimica “computerizzata” risiede anche nella generazione di dati di alta qualità, che andranno a beneficio del futuro utilizzo dell’intelligenza artificiale. «Nella scoperta chimica tradizionale solo poche molecole vengono studiate in modo approfondito. I risultati vengono poi estrapolati a molecole apparentemente simili. RoboChem produce un set di dati completo ed esauriente in cui vengono ottenuti tutti i parametri rilevanti per ogni singola molecola. Ciò fornisce molte più informazioni.’
Un’altra caratteristica è che il sistema registra anche i dati “negativi”. Nella pratica scientifica attuale, la maggior parte dei dati pubblicati riflette solo esperimenti riusciti. “Anche un esperimento fallito fornisce dati rilevanti”, afferma Noël. “Ma questo può essere trovato solo negli appunti di laboratorio scritti a mano dai ricercatori. Questi non sono pubblicati e quindi non disponibili per la chimica basata sull’intelligenza artificiale. RoboChem cambierà anche questo. Non ho dubbi che se vuoi fare progressi nella chimica con l’intelligenza artificiale, avrai bisogno di questo tipo di robot”.
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