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一個由機械人技術與人工智能(AI)聯手開發新材料的自動系統發佈首批發現,在短短17天內,成功製作出41種新的無機材料,其中9種是在AI主動學習改進後成功。這些進步有望大大加速清潔能源技術、下一代電子產品和許多其他應用的材料的發現。
![柏克萊實驗室研究員檢查A-Lab新物料實驗的起點。 Berkeley Lab 柏克萊實驗室研究員檢查A-Lab新物料實驗的起點。 Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/575e65f454788261e9750dcc39b57505/2023-11/IMG_6848.jpeg)
![研究員微調 A-Lab組件。Berkeley Lab 研究員微調 A-Lab組件。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/5680b77d0dce409a9935ff3143816bad/2023-11/IMG_6877.jpeg)
![人工智能引導的機械人創造出40多種新材料。 Google DeepMind 人工智能引導的機械人創造出40多種新材料。 Google DeepMind](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/5ffbd077a68186011a4b166e47b2927c/2023-11/IMG_6847.jpeg)
![開放式數據庫「材料專案」提供不同的材料的重要資訊,圖為資料庫中的12種化合物結構。Berkeley Lab 開放式數據庫「材料專案」提供不同的材料的重要資訊,圖為資料庫中的12種化合物結構。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/3807a5cda06d36116ae005c54f99b1ba/2023-11/IMG_6872.jpeg)
![「材料專案」許多計算都是在伯克利實驗室的超級電腦上進行。 Berkeley Lab 「材料專案」許多計算都是在伯克利實驗室的超級電腦上進行。 Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/09bffa250a1ba010dcc0d989c49f795c/2023-11/IMG_6874.jpeg)
經過幾個世紀艱苦的實驗室工作,化學家合成出數十萬種無機化合物。然而研究表明,仍有數十億種相對簡單的無機材料有待被發現。
Google DeepMind透過名為材料探索圖網路(GNoME)的人工智能系統,經訓練後得出多達220萬種潛在化合物。經過計算這些化合物是否穩定,並預測它們的晶體結構,在勞倫斯柏克萊國家實驗室(LBNL)開放式數據庫「材料專案」(Materials Project)中增加了38.1萬種新的無機化合物。
隸屬美國能源部的LBNL屬下A-Lab團隊,選出其中58種預期穩定的目標化合物,然後交給機械學習模型,利用最先進的機械人技術,將這些想像中的物料製造出來。
![第一個機械人取出稱為粉末前驅體的起始成分,稱重並以不同組合混合。 第一個機械人取出稱為粉末前驅體的起始成分,稱重並以不同組合混合。](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/f4bc32fac5dcd3e533cb9b5f1fbb8895/2023-11/IMG_6851.jpeg)
![前驅物有近200種,包括鋰、鐵、銅、錳、鎳等元素的不同金屬氧化物。Berkeley Lab 前驅物有近200種,包括鋰、鐵、銅、錳、鎳等元素的不同金屬氧化物。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/f45bf5812820d94d4d06497cfbd1a6df/2023-11/IMG_6853.jpeg)
![粉末與溶劑混合均勻。Berkeley Lab 粉末與溶劑混合均勻。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/844ab74590838e5364c67533d88f479e/2023-11/IMG_6855.jpeg)
![機械人將混合物移入容器。Berkeley Lab 機械人將混合物移入容器。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/15cfce8b5b476725b040ceeacb400800/2023-11/IMG_6856.jpeg)
![下一個機械手臂提取容器。Berkeley Lab 下一個機械手臂提取容器。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/c734634bcb0a1e4377ea20ec7d628677/2023-11/IMG_6857.jpeg)
![裝入溫度可達攝氏1204℃的熔爐。Berkeley Lab 裝入溫度可達攝氏1204℃的熔爐。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/847ecc97e684cba7a5e9db8a87a9368e/2023-11/IMG_6858.jpeg)
![熔爐中會注入氮、氫、氧等各種氣體,讓原料在不同的環境下烘烤出不同特性,Al決定烘烤溫度和時間。Berkeley Lab 熔爐中會注入氮、氫、氧等各種氣體,讓原料在不同的環境下烘烤出不同特性,Al決定烘烤溫度和時間。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/eb543cb7f4efa72f207e185fd0181b01/2023-11/IMG_6859.jpeg)
![機械臂將新物質研磨成細粉末,放上玻璃片主行分析。Berkeley Lab 機械臂將新物質研磨成細粉末,放上玻璃片主行分析。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/7ba31de84c0bc667261f55d77f418830/2023-11/IMG_6861.jpeg)
![玻璃片放進自動化機器中進行分析。Berkeley Lab 玻璃片放進自動化機器中進行分析。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/4940e1fe347fdb689c3d62cd1619c2e5/2023-11/IMG_6863.jpeg)
![X繞射儀可確定是否形成了一種或多種新化學物質,以及剩餘了多少初始成分。Berkeley Lab X繞射儀可確定是否形成了一種或多種新化學物質,以及剩餘了多少初始成分。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/bcf9599f3eddd3e978f371c96895b189/2023-11/IMG_6864.jpeg)
![自動電子顯微鏡可進行進一步的形狀和化學分析。Berkeley Lab 自動電子顯微鏡可進行進一步的形狀和化學分析。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/c4d3e5be10153a63cc5bffc6c9dffb55/2023-11/IMG_6866.jpeg)
![實驗結果傳回人工智能系統,經學習修正組合成分後重新試做。Berkeley Lab 實驗結果傳回人工智能系統,經學習修正組合成分後重新試做。Berkeley Lab](https://image.hkhl.hk/f/1024p0/0x0/100/none/4589526a3a4a8abb60e778befcb04606/2023-11/IMG_6869.jpeg)
透過梳理3萬多個已發佈的合成程序,A-Lab 可以評估每個目標與現有材料的相似性,並提出試造新材料所需的成分和反應溫度。機械臂自動從原料架上選擇成分,進行合成,並分析產品。「主動學習」演算法會從失敗的經驗中學習,再重新嘗試。
AI幫人類慳時間
結果,A-Lab花了17 天的時間便製作出41種新的無機材料,其中9 種是經過主動學習改進後合成出來。而A-Lab 未能成功製造的17種材料,大多數因實驗困難而失敗,部分經過人類干預,例如在反應過程中重新研磨混合物之後,最終也合成出來。
「材料專案」創始人兼主任、加州大學柏克萊分校教授佩爾森(Kristin Persson)說:「要解決全球環境和氣候挑戰,我們必須創造新材料。藉助材料創新,我們可以開發可回收塑料、利用廢棄能源、製造更好的電池,並構建更便宜、壽命更長的太陽能電池板等等。」
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