近年來，為滿足日益增長(zhǎng)的工業(yè)和科學(xué)需求，化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們一直在尋求提高催化反應(yīng)的效率和選擇性。

催化反應(yīng)是許多化學(xué)過程的核心，而其中的一個(gè)關(guān)鍵因素是利用配體來調(diào)節(jié)反應(yīng)的選擇性和產(chǎn)率。然而，傳統(tǒng)的催化劑發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化方法通常耗時(shí)、耗材量大，并且嚴(yán)重依賴于人工操作和經(jīng)驗(yàn)。

為了解決這一問題，來自北卡羅來納州立大學(xué)、伊士曼化工公司的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為?Fast-Cat 的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室。

據(jù)介紹，通過結(jié)合人工智能（AI）和自動(dòng)化技術(shù)，F(xiàn)ast-Cat 實(shí)現(xiàn)了催化反應(yīng)的快速、高效和自動(dòng)化，不僅可以完全自主連續(xù)運(yùn)行高溫、高壓、氣液反應(yīng)，還能夠分析每個(gè)反應(yīng)的輸出結(jié)果，在沒有人工干預(yù)的情況下確定不同變量對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

相關(guān)研究論文以“Autonomous reaction Pareto-front mapping with a self-driving catalysis laboratory”為題，已發(fā)表在科學(xué)期刊 Nature Chemical Engineering 上。

值得關(guān)注的是，它能夠在短短 5 天內(nèi)提供比傳統(tǒng)方法 6 個(gè)月更多的信息，為化學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)提供了全新的可能性。研究團(tuán)隊(duì)表示，F(xiàn)ast-Cat 的出現(xiàn)標(biāo)志著催化反應(yīng)研究邁入了新的時(shí)代。

Fast-Cat是如何快于人類的？

據(jù)論文描述，F(xiàn)ast-Cat 采用了一套自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和 AI 驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，使催化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化和智能化。其工作原理是：基于對(duì)催化反應(yīng)中各種變量影響的深入理解，并利用 AI 算法不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，快速找到最優(yōu)的反應(yīng)條件。

圖｜Fast-Cat 工作流程概述。輸入：先前數(shù)據(jù)、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)。循環(huán)：確定當(dāng)前超體積（HV），蒙特卡洛（MC）在新點(diǎn)對(duì) ML 模型進(jìn)行采樣，根據(jù)預(yù)測(cè)獲得的超體積對(duì)點(diǎn)進(jìn)行排名（點(diǎn) 1 處的綠色星表示 HV 改進(jìn)最大的預(yù)測(cè)，然后是點(diǎn) 2 和3 按順序），對(duì)最佳預(yù)測(cè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并重復(fù)。輸出：最新的替代模型（曲面圖和特征分析）和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)（帕累托前沿）。

Fast-Cat 的操作流程主要包括四個(gè)步驟：準(zhǔn)備、啟動(dòng)、操作和 Pareto 篩選循環(huán)。

在準(zhǔn)備階段，研究人員需要提前準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所需的試劑和配體，包括催化劑、配體、底物等，并裝載到系統(tǒng)中。這些試劑會(huì)被加載到自動(dòng)化的試劑補(bǔ)給模塊中，以確保實(shí)驗(yàn)中始終有足夠的試劑供應(yīng)。

啟動(dòng)階段是實(shí)驗(yàn)的開始，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)條件，包括液體和氣體的流量、壓力等參數(shù)，從而達(dá)到所需的反應(yīng)壓力和組成。

在操作階段，系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行高溫、高壓、氣液相催化反應(yīng)，并自動(dòng)采集、分析反應(yīng)產(chǎn)物。

Fast-Cat 啟動(dòng)后，開始自動(dòng)運(yùn)行高溫高壓的氣液相催化反應(yīng)。這些反應(yīng)通常在流動(dòng)條件下進(jìn)行，以確保反應(yīng)混合均勻并獲得準(zhǔn)確的反應(yīng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)方案連續(xù)執(zhí)行一系列實(shí)驗(yàn)，快速收集大量反應(yīng)數(shù)據(jù)。

在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，F(xiàn)ast-Cat 自動(dòng)收集反應(yīng)產(chǎn)物，并通過氣相色譜儀（GC）等在線分析設(shè)備進(jìn)行分析，分析結(jié)果包括產(chǎn)物的種類、產(chǎn)率、選擇性等。

隨后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)被上傳到 Fast-Cat 的數(shù)據(jù)分析模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，F(xiàn)ast-Cat 能夠從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取規(guī)律和模式，并根據(jù)這些信息調(diào)整下一輪實(shí)驗(yàn)的條件。

為進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)條件和提高催化效率，F(xiàn)ast-Cat 會(huì)根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果調(diào)整下一輪實(shí)驗(yàn)的條件。這種循環(huán)反饋機(jī)制使得 Fast-Cat 能夠逐步尋找到最優(yōu)的反應(yīng)條件，并實(shí)現(xiàn)對(duì)催化反應(yīng)的快速優(yōu)化，這屬于 Pareto 篩選循環(huán)階段。

根據(jù) Pareto 優(yōu)化原則，F(xiàn)ast-Cat 會(huì)在多個(gè)目標(biāo)之間尋找最佳平衡。例如，提高產(chǎn)物收率可能會(huì)降低選擇性，因此需要在這兩個(gè)目標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡。

Fast-Cat 會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件，以便在多個(gè)目標(biāo)之間找到最優(yōu)解。這可能需要進(jìn)行多輪實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化過程。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，為確保實(shí)驗(yàn)過程的安全和穩(wěn)定性，F(xiàn)ast-Cat 會(huì)自動(dòng)監(jiān)控各種參數(shù)，包括溫度、壓力、流量等。如果需要，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行試劑的補(bǔ)給和設(shè)備的維護(hù)，從而保證實(shí)驗(yàn)的連續(xù)進(jìn)行和穩(wěn)定性。
據(jù)介紹，F(xiàn)ast-Cat 在研究過程中取得了令人矚目的成果。

通過對(duì)不同配體的催化性能進(jìn)行全面的測(cè)試和分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了各種實(shí)驗(yàn)條件對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率和選擇性的影響規(guī)律。

通過優(yōu)化配體結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件，F(xiàn)ast-Cat 成功提高了催化反應(yīng)的效率和選擇性，為催化領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了新的思路和方法。

盡管 Fast-Cat 在催化反應(yīng)研究中取得了顯著的成果，但仍存在一些局限性和挑戰(zhàn)。

例如，系統(tǒng)可能受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，無法覆蓋所有可能的反應(yīng)情況；對(duì)于某些復(fù)雜的催化反應(yīng)系統(tǒng)，F(xiàn)ast-Cat 的智能化程度還有待進(jìn)一步提高。

研究人員表示，未來的研究方向包括進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)更先進(jìn)的人工智能算法，以及拓展 Fast-Cat 在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

AI讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)更高效

近年來，除了 Fast-Cat 之外，AI 驅(qū)動(dòng)的催化研究領(lǐng)域還出現(xiàn)了一系列其他重要的研究成果。例如，人工智能大型優(yōu)化催化劑合成的工作流程等。

在 AI4science 領(lǐng)域，很多相關(guān)研究同樣表明，AI 可以提高研究效率，比如自助化學(xué)合成機(jī)器人 RoboChem。

研究團(tuán)隊(duì)表示，作為催化反應(yīng)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)創(chuàng)新，F(xiàn)ast-Cat 具有廣闊的應(yīng)用前景。

例如，在化學(xué)和制藥工業(yè)中，F(xiàn)ast-Cat 有望成為催化劑研發(fā)和優(yōu)化的重要工具，為新藥物和新材料的開發(fā)提供支持；Fast-Cat 的智能化和自動(dòng)化特點(diǎn)，也為實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)生產(chǎn)和節(jié)能減排提供了新的途徑和可能性。

未來，隨著 Fast-Cat 技術(shù)的不斷完善和推廣應(yīng)用，預(yù)計(jì)將出現(xiàn)更多基于 Fast-Cat 的研究成果和創(chuàng)新應(yīng)用。

此外，隨著對(duì)催化反應(yīng)機(jī)理和性能的深入理解，AI 將有望幫助人類開發(fā)出更加高效、環(huán)保的催化劑和反應(yīng)體系，推動(dòng)催化領(lǐng)域的發(fā)展邁向新的高度。

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/s44286-024-00033-5

https://news.ncsu.edu/2024/02/ai-driven-lab-speeds-catalysis-research/

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.iecr.3c02520

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