【DARPA Make It】正確、快速的化學：採用人工智慧和自動化技術來繪製和製作分子

原標題：【DARPA Make It】正確、快速的化學：採用人工智慧和自動化技術來繪製和製作分子

化學創新在開發軍事尖端技術方面發揮著關鍵作用。研究型化學家們設計併合成可以為下一代軍事產品提供支援的新型分子，如用於航天發動機的新型推進劑；為該領域的部隊提供新葯品和新療法； 更輕質、更持久的電池和燃料電池；先進的粘合劑、塗料和油漆；可更安全處理、更廉價的爆炸物。然而，問題在於現有的分子設計和生產方法主要依靠專家的直覺進行艱苦的、不斷摸索的試驗和研究。

DARPA的Make-It專案當前處於四年研發週期的第三年，正在開發基於機器學習和專家編碼規則的軟體工具，以推薦合成路線（即製作特定分子的「配方」），以優化成本、時間、安全（減少浪費）。該專案意在解放化學家，以便他們將精力集中在化學創新上，而不是測試各種分子合成途徑。該專案還在開發自動化裝置，可根據軟體生成的配方統一、迴圈生成所需的化學品 ——這種單裝置、多分子概念與傳統的化學生產專用反應器不同。Make-It研究團隊最近展示了全自動快速分子生產的重大進展。

「一位經驗豐富的研究型化學家可能花費數十小時設計合成新分子的路線，並花費數月在實驗室中實施並優化合成」，DARPA國防科學辦公室（DSO）專案經理Anne Fischer說。「Make-It專案不僅把化學家解放出來，在分子發現和創新等其他領域投入更多腦力，而且正在向更廣泛的科學研究人員開放化學合成和發現，他們將從新分子的快速開發中受益。」

Fischer表示，需要分子進行研究的生物學家可以按照自定義的數量按需生產它們，而不是從化學品供應商大量購買分子再處理過剩的部分。人們可以想象在許多技術領域都有類似的收益——無論哪裏都需要小分子來進行研發。

自動化學合成的一個主要好處是它可再生的程式，使生產自由化和加速化。現有非自動化方法的缺點是，看似微不足道的變化，例如攪拌反應速度有多快，溫度條件稍有不同，可能會對生產的化學品純度和產量產生重大影響。這導致實驗室之間先前報道的合成再生的不穩定性和難度。

「我們本質上是編碼化學合成過程」，Fischer說，「這確保嚴格標準的可再生性，無論其在哪裏生產。因為這些路線是通過基於軟體的指令實施的，所以任何Make-It專案的合成裝置都應該每次生產出完全相同的化學產品。」

此外，自動化提供了一個更安全、更清潔、更穩固的過程，因為化學家不需要用人工方式處理危險化學品，例如用於開發軍事新炸藥的化學品。Make-It專案合成機器需要低溶劑量，從而減少實驗室浪費。

Make-It專案的成功源於其多學科人才匯聚成研究人員團隊，它結合了電腦科學、有機化學和化學工程專業知識來解決三個領域問題：自動化分子設計、 自動合成或生產和快速反應篩選。

麻省理工學院（MIT）、SRI國際和Grzybowski科學發明（GSI）正在探索開發軟體以自動設計各種化學路線選擇的不同方法。GSI的分子路線優化軟體現在已經推出。MIT和SRI也在開發硬體來合成分子。

麻省理工學院研究人員建立的自動化學合成儀

SRI國際公司建造的可重構化學反應器的俯檢視

格拉斯哥大學正在開發用於設計並3D列印小型行動式反應器的軟體，以便「隨時隨地」生產特定分子。這種一次性或可回收反應器可以實現更好價效比的利潤區域產品，特別是條件嚴酷的地方。

在快速反應篩選重點領域，普渡大學和波士頓大學正在探索建立、理解和利用化學反應的大型資料集來培訓機器學習演算法的方法，以便他們能夠快速設計新型分子途徑。

「Make-It專案能夠製造任何分子的前景令人興奮，」Fischer說。「我們已經在DARPA的戰地醫學專案中展示了一種自動化按需配藥流動化學機器，可以在嚴酷的地點按需生產常用藥品，避免在前沿部署環境運輸和儲存部隊關鍵藥品。現在我們已經開啟了快速的化學創新，不僅可以解決藥物問題，而且還可以解決所有的國防領域問題。」

Make-It專案的後續步驟包括通過分析儀器實時整合合成過程並開發更復雜的分子。專案研究人員將在2018年8月19日至23日在馬薩諸塞州波士頓舉行的美國化學學會全國會議和博覽會特別會議上介紹他們的結果。

https://www.darpa.mil/news-events/2018-06-19

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