Tento chemik přemýšlí o objevu materiálů pomocí umělé inteligence a automatizace

Alán Aspuru-Guzik používá AI, roboty a dokonce i kvantové výpočty k vytvoření nových materiálů, které budeme potřebovat v boji proti změně klimatu.

Derek Shapton

podle

• Simon Levsen archivní stránka

27. října 2021

Když se Alán Aspuru-Guzik, chemik z Mexika a sídlící v Torontu, narozený v Mexico City, dívá na modely klimatických změn, jeho oči přitahují chybové úsečky, které ukazují rozsah nejistoty obklopující jakoukoli danou předpověď. Jako vědci, říká, máme povinnost uvažovat o nejhorších scénářích. Pokud bude změna klimatu probíhat podle očekávání, lidstvo může mít několik desetiletí na to, aby přišlo s materiály, které ještě neexistují: molekuly, které nám umožňují rychle a levně zachytit uhlík, a baterie – vyrobené z něčeho jiného než z lithia. kov, který je nákladný a obtížně těžitelný – pro skladování globálních dodávek obnovitelné energie.

A co když se situace zhorší, než jsme čekali? Potřeba nových materiálů půjde od naléhavé přes extrémně naléhavou až po zoufalou. Mohli bychom rychle přijít na věci, které potřebujeme?

Tento příběh byl součástí našeho vydání z listopadu 2021

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Aspuru-Guzik (jeden z 35 inovátorů do 35 let z MIT Technology Review v roce 2010) věnoval velkou část svého života verzím této otázky. Objevování materiálů – věda o vytváření a vývoji nových užitečných látek – se často pohybuje frustrujícím tempem. Typický přístup pokus-omyl, kdy vědci vyrábějí nové molekuly a poté každou z nich postupně testují na požadované vlastnosti, trvá v průměru dvě desetiletí, takže je pro většinu společností příliš drahý a riskantní.

Cílem Aspuru-Guzika – který sdílí s rostoucím počtem počítačově zdatných chemiků – je zkrátit tento interval na několik měsíců nebo let, což lidstvu umožní rychle nashromáždit arzenál zdrojů pro boj proti změně klimatu, jako jsou baterie a uhlíkové zachytávací filtry. Cílem je oživit skomírající průmysl materiálů začleněním digitálních simulací, robotiky, datové vědy, umělé inteligence a dokonce i kvantových počítačů do procesu objevování.

Představte si počítačové programy, které využívají přesnou znalost elektronické struktury molekul k vytváření nových návrhů; představte si roboty, kteří vyrábějí a testují tyto molekuly. A představte si, že software a roboti spolupracují – testují molekuly, ladí návrhy a znovu testují – dokud nevytvoří materiál s vlastnostmi, které hledáme.

To je alespoň myšlenka. Ve skutečnosti to provést je jiná věc. Struktury molekul jsou neuvěřitelně složité a chemická syntéza je často více umění než věda, což se vzpírá snahám o automatizaci procesu. Ale pokroky v AI, robotice a počítačích jsou přináší nový život k vizi.

Aspuru-Guzik je předním evangelistou za používání počítačových věd k transformaci chemie.

DEREK SHAPTON

Aspuru-Guzik spolupředsedal v roce 2017 workshopu v Mexico City, kde se sešlo 133 účastníků – včetně vědců oceněných Nobelovou cenou a zástupců 17 národních vlád –, aby zaměřili globální výzkumnou komunitu na tento cíl. Konference byla stěžejním momentem, který pomohl přenést oblast zrychleného objevování materiálů z úzce specializované oblasti výzkumu na celosvětovou prioritu mnoha z těchto účastníků. Po této události začaly mimo jiné Kanada, Indie a EU investovat do iniciativ na urychlení materiálového výzkumu.

Samotná práce je ambiciózní a technicky náročná, protože zahrnuje mnoho disciplín. Ale jako chemik, softwarový inženýr, průkopník umělé inteligence, programátor kvantových počítačů, nadšenec do robotiky a sériový podnikatel může mít Aspuru-Guzik tu správnou kombinaci výpočetní odbornosti a představivosti, aby propojil více nástrojů nezbytných k tomu, aby se to stalo. Ukázal se jako jeden z nejpřesvědčivějších evangelistů pro nový způsob provádění chemie.

Alán vidí dál, co si lidé myslí, že je možné, říká Joshua Schrier , chemik z Fordhamské univerzity a častý spolupracovník. Je to typ inovátora, říká Schrier, který mění způsob, jakým všichni kolem něj praktikují vědu.

Pro Ryana Babbushe, vedoucího týmu kvantových algoritmů ve společnosti Google, je Aspuru-Guzikovou nejvýraznější povahovou vlastností jeho tvůrčí neklid. Alán tráví čas a energii na nejnovější věci, na nejprobádanějším území, říká. Nezdržuje se a soustředí se na postupný vývoj.

To může být problém vzhledem k času a tvrdé práci, kterou vyžaduje uvedení nového materiálu na trh – podnik, který vyžaduje zarputilý, úzce zaměřený výzkum a nekonečnou obchodní trpělivost. Ale nakonec, říká Babbush, Aspuru-Guzik má zájem přetvořit proces objevování materiálů, vybavit vědce v komunitě výpočetními a automatizačními nástroji, které potřebují k urychlení své práce.

Dnes Aspuru-Guzik buduje laboratoř v Torontu, kde algoritmy AI navrhují nové molekuly a roboti je rychle vyrábějí a testují. Laboratoř je jakýmsi prototypem, který má demonstrovat, jak by objevování materiálů mohlo v budoucnu fungovat. Chci umožnit zcela novou éru, věk materiálů na vyžádání, kde každá laboratoř může snadno vytvářet nové sloučeniny, říká. Doufá, že v budoucnu budeme mít lepší pozici k řešení příští globální krize. Problémy světa vyžadují molekuly, dodává. A právě teď jsme na to, abychom je dělali.

Jizvy z boje

Aspuru-Guzik mluví bujně, odbočující a velmi rychle. Když jsem poprvé navštívil jeho kancelář na univerzitě v Torontu, ukázal mi sbírku masek lucha libre (mexický zápas) – jasně modré, zelené a růžové kukly zdobené aztéckými vzory. Masky jsou nástrojem humanizace, říká. Přivedete do své kanceláře nositele Nobelovy ceny nebo vedoucího pracovníka z Hitachi a po chvíli rozhovoru je dobré se zastavit a říci: ‚Vyberte si masku. Udělejte si selfie.‘ Je těžké nevnímat masky jako metaforu jeho mnohostranného života.

Aspuru-Guzik vyrostl v napůl katolické, napůl židovské rodině spisovatelů, hudebníků a architektů. Jako 19letý student chemie na Národní autonomní univerzitě v Mexiku se vracel z nočního rave ve městě Cuernavaca. když auto, ve kterém jel, sjelo ze silnice a havarovalo. Chirurgové mu museli otevřít břicho, aby mu opravili střeva a vypálili prasklé krevní cévy, takže mu zůstala jizva, která se táhne jako střední čára středem břicha.

Po tomto raném střetu se smrtelností se oddal životu intelektuálního dobrodružství. Pokud by ho nějaká oblast bádání zaujala, věnoval by se jí, i kdyby to bylo esoterické nebo mimo jeho odborné znalosti.

V té době panovalo velké vzrušení z možnosti použití počítačového modelování k návrhu molekul s požadovanými vlastnostmi, přičemž se vzdali pomalých a únavných experimentů. Vědci mluvili o nové éře virtuální chemie, ale nefungovala příliš dobře. Počítače byly příliš pomalé a molekuly příliš složité.

Při procházení časopisů v univerzitní knihovně narazil Aspuru-Guzik na článek o problémech provádění molekulární chemie v počítači. V roce 1926 publikoval fyzik Erwin Schrödinger rovnici pro předpovídání chování subatomárních částic, jako jsou elektrony a protony. Pokud dokážete matematicky modelovat molekulu na subatomární úrovni, můžete začít dělat závěry o výsledném materiálu: jak se kombinuje s jinými materiály, jak je tvrdý nebo měkký nebo jak rychle se rozkládá. alespoň taková je představa. Ale pro většinu materiálů se Schrödingerova rovnice stává příliš komplikovanou i pro dnešní největší superpočítač.

Aby byla matematika proveditelná, Aspuru-Guzik se pustil do vytváření verzí rovnice, které vyžadují méně aproximací, aby byly přesnější – projekt, který se stal středem jeho doktorandského studia na University of California v Berkeley. Cílem bylo zefektivnit výpočty do bodu, kdy je počítač zvládne, ale ne tak daleko, aby se model stal vědecky nepoužitelným. Pomocí Aspuru-Guzikových algoritmů by výzkumník mohl modelovat – tedy simulovat – náhodnou molekulu a okamžitě předpovídat vlastnosti výsledné látky.

Další vědci navrhli podobné algoritmy, ale ty, se kterými Aspuru-Guzik přišel jako postgraduální student, byly dostatečně působivé, aby mu sehnaly práci na Harvardu, když skončil jako postdoktorand v Berkeley. Jako odborný asistent na Harvardu – a jako ředitel výzkumné skupiny Aspuru-Guzik, 40členného týmu počítačových vědců, biologů, inženýrů, fyziků a chemiků – se vrhl do iniciativy zvané Harvard Clean Energy Project. Většina solárních panelů využívá křemík k přeměně slunečního záření na elektřinu. Existovaly však levné, snadno vyrobitelné organické látky, které by tuto práci zvládly?

DEREK SHAPTON

Vášně Aspuru-Guzik (zleva nahoře) sahají od nálepek pro pouliční umění přes laboratorní robotiku až po mexické masky lucha libre až po automatizovanou manipulaci s tekutinami.

Během šesti let provedl Aspuru-Guzik a jeho tým simulace 2,3 milionu různých organických molekul, aby zjistili, které by mohly mít fotovoltaické vlastnosti. Nebyl stěží prvním výzkumníkem, který praktikoval virtuální chemii, ale dělal to v nebývalém měřítku. Zvýšená výpočetní kapacita éry znamenala, že jediná molekula mohla být simulována během několika minut; v 90. letech takové simulace trvaly celé dny. Nejdůležitější bylo, že měl přístup ke zdánlivě neomezenému prostoru na serveru, z velké části si ho vypůjčil ze zařízení jiných lidí. V systému podobném starému Program SETI@Home Lidé, kteří chtěli projekt podpořit, si mohli stáhnout spořič obrazovky, který by dočasně zapůjčil jejich pevný disk Aspuru-Guzikovi a jeho týmu. Měli jsme jeden z největších superpočítačů na světě, říká, ale byl distribuován po celé planetě.

Nakonec Aspuru-Guzik objevil mnoho organických materiálů, které by teoreticky mohly být použity pro fotovoltaické články. Problém byl v tom, že tyto vítězné molekuly byly příliš složité na to, aby je bylo možné vyrobit levně. Mojí chybou, říká, bylo, že jsem se na začátku neporadil s organickými chemiky, abych zjistil, které molekuly jsou snadno vyrobitelné.

S projektem Clean Energy Project Aspuru-Guzik v podstatě dělal kombinatorickou chemii – starý přístup pokus-omyl – uvnitř počítačů místo v laboratoři. Poté, počínaje rokem 2012, výzkumníci v Torontu a jinde učinili řadu průlomů v hlubokém učení a dalších metodách strojového učení. Jako mnoho chemiků hledajících nové materiály, Aspuru-Guzik přešel na AI, což mu umožnilo objevovat molekuly rychlejším a promyšlenějším způsobem. Počítačové simulace jsou jako kulomet střílející náhodně do vzduchu v naději, že dostanou zásah, říká. AI je sniper. Vybere si cíl a zamíří.

Nejprve musel trénovat neuronovou síť tím, že do ní dodal soubor dat popisující molekulární složení a chemické vlastnosti 100 000 organických látek. Program AI by mohl začít rozpoznávat vzorce – tedy korelace mezi danou molekulou a látkou, kterou tvoří. Tyto znalosti by pak mohla využít k vynalezení kandidátních molekul, které by se měly syntetizovat a testovat v laboratoři. S pomocí AI objevil Aspuru-Guzik nové organické diody vyzařující světlo neboli OLED, které byly jasnější než typické LED. Identifikoval také nové chemikálie, které budou použity v budoucích organických průtokových bateriích, masivních průmyslových bateriích, které nebudou vyžadovat kovy, jako je lithium.

Mezitím se vrhl do rodícího se pole kvantové počítání . Schrödingerova rovnice je obtížně proveditelná na klasických počítačích právě proto, že elektrony a protony se neřídí zákony klasické fyziky. Místo toho fungují podle kvantové mechaniky: mohou být propletené (chovat se ve vzájemné shodě, i když nejsou propojeny) a mohou existovat v takzvané superpozici (zabírat více protichůdných stavů současně) . Matematika potřebná k modelování těchto složitých jevů je také závratně složitá. Ale protože qubity v kvantových počítačích také dodržují zákony kvantové mechaniky, jsou tato zařízení alespoň teoreticky vhodnější pro simulaci molekul.

V praxi však někdo musel přijít na to, jak simulace fungovat. V roce 2014 Aspuru-Guzik a tým výzkumníků vydali Variational Quantum Eigensolver (VQE), program pro modelování molekul, i když na malých kvantových zařízeních náchylných k chybám, která na rozdíl od víceúčelových kvantových počítačů dnes skutečně existují. Zatímco Schrödingerova rovnice je druh abstrakce – matematický vzorec určený k popisu subatomárních částic – VQE používá kvantové bity k napodobení chování částic v molekule, podobně jako by hráči v přestavbě mohli provést bitvu u Gettysburgu.

Časem, jak společnosti vyvíjejí výkonnější kvantové počítače, by VQE mohlo umožnit chemikům provádět překvapivě přesné simulace. Tyto modely mohou být tak přesné, že vědci nebudou muset materiály vůbec syntetizovat a testovat. Pokud někdy dosáhneme tohoto bodu, říká Aspuru-Guzik, moje práce v materiálové vědě bude hotová.

Když byl v roce 2016 zvolen prezidentem Spojených států Donald Trump, kariéra Aspuru-Guzika vzkvétala, ale vyhlídky na setrvání v zemi ho najednou přestaly bavit. Týden po volbách začal e-mailovat kolegům v Austrálii a Kanadě a hledal novou práci.

University of Toronto mu nabídla prestižní vládou financovanou pozici, která má přilákat špičkové výzkumníky do země, a křížové jmenování do Vector Institute for Artificial Intelligence, nezisková společnost, kterou spoluzaložil průkopník strojového učení Geoffrey Hinton a která se rychle rozvíjí. Toronto je globálním centrem pro umělou inteligenci. Největší pobídkou však byl příslib vybudování nové radikální materiálové laboratoře nazvané Matter Lab, což je projekt, o kterém Aspuru-Guzik léta snila.

Do prdele

V Matter Lab zaútočíme na problém až po položení tří otázek, říká Aspuru-Guzik. Má to význam pro svět? Pokud ne, tak na to jdi. Už to udělal někdo jiný? Pokud je odpověď ano, nemá to smysl. A je to na dálku možné? Zde je klíčové slovo vzdáleně. Aspuru-Guzik se chce vypořádat s výzvami, které jsou v rámci proveditelnosti, ale sotva tak. Pokud je materiál příliš snadný, říká, ať ho najdou ostatní.

Laboratoř se nachází v poválečné cihlové budově v centru Toronta a nepodobá se žádné jiné na univerzitě. Strop zdobí kaštanové a vínové akustické panely, což je pocta milovanému mexickému architektovi Luisi Barragánovi. V nenápadném rohu je schovaná typická laboratorní lavice – stůl s baňkami, váhami a kádinkami pod digestoří – kde mohou postgraduální studenti procvičovat chemii v podstatě stejným způsobem, jako to dělala generace jejich prarodičů. Člověk má pocit, že tato pracovní stanice není často používána.

Uprostřed je robot za 1,5 milionu dolarů – dusíkem naplněný kryt ze skla a kovu s mechanickým ramenem, které se pohybuje tam a zpět po dráze. Rameno může vybírat prášky a kapaliny z řady kanystrů poblíž stran krytu a ukládat obsah s náročnou přesností do jednoho z mnoha reaktorů. Robot je jako neúnavný laboratorní asistent, který míchá chemikálie 24 hodin denně, 7 dní v týdnu, říká Aspuru-Guzik. Dokáže vyrobit 40 sloučenin za pouhých 12 hodin.

Dvě další funkce dělají experimentální nastavení Matter Lab jedinečným. První je software, který Aspuru-Guzik a jeho spolupracovníci navrhli, nazvaný ChemOS. Zahrnuje systém umělé inteligence, který generuje kandidátské molekuly, a program, který je propojen s robotem a řídí jej tak, aby na vyžádání syntetizoval kandidáty.

Nová materiálová laboratoř v Torontu kombinuje konvenční chemické vybavení a nejmodernější automatizaci a AI.

DEREK SHAPTON

Druhým výrazným rysem je uzavřená smyčka výrobního procesu. Aby vysvětlil, jak to funguje, Aspuru-Guzik ukazuje na pár úzkých hadic v zadní části robota. To je místo, kde se čůrá, říká. Jakmile je reakce ukončena, výsledná kapalina protéká plastovými hadicemi do analytického stroje velikosti a tvaru mini-ledničky, který odděluje nežádoucí vedlejší produkty. Rafinovaný materiál proudí do dalšího robota, který jej otestuje, aby zjistil jeho vlastnosti. Poté robot vloží výsledky experimentu zpět do programu ChemOS, což umožní AI aktualizovat svá data a okamžitě vytvořit nový, lepší seznam kandidátských molekul, dokud se – po kolech předpovědí, syntéz a testů – neobjeví vítěz. .

Myšlenka automatizovaného systému objevování s uzavřenou smyčkou se, částečně kvůli neúnavné obhajobě Aspuru-Guzik, stala mezi novými praktiky chemie stále populárnější. Podobná zařízení budují kolegové ve Vancouveru, New Yorku, Champaign-Urbana a Glasgow. Tyto laboratoře jsou zamýšleny jako všestranné, automatizované prostory molekulární tvorby. To je důvod, proč Aspuru-Guzik příliš nespekuluje o tom, co konkrétně Matter Lab vyrobí příště. Taková rozhodnutí budou možná diktována zvědavostí nebo imperativy globální krize.

Udělat značku

V roce 2020 zažil Aspuru-Guzik období časného pandemického přibírání na váze, což způsobilo, že se jeho operační rána znovu otevřela. Zároveň se cítil v pasti a znuděný 2D světem hovorů Zoom a frustrovaný z toho, že se nemůže volně pohybovat po své laboratoři. Jeho uspěchaný pracovní život ponechal jen málo prostoru pro bezcílné – nebo zdánlivě bezcílné – činnosti, které v minulosti podporovaly tvůrčí průlomy. Potřeboval změnu.

O několik měsíců později začal čmárat na svém počítači a kreslil masku lucha libre připomínající Screamin’ Jay Hawkinse, průkopníka rock’n’rollu známého pro své operní vokály a hrůzostrašné pódiové dovádění. Postavu pojmenoval Bruho (variace brujo, španělsky čaroděj) a rozhodl se vnutit své umělecké dílo městské krajině. Koupil si tiskárnu nálepek a začal lepit avatara Bruho na poštovní schránky a pouliční osvětlení. Brzy se stal součástí rušné pouliční umělecké scény.

Související příběh

Uvnitř závodu o vybudování nejlepšího kvantového počítače na Zemi IBM si myslí, že kvantová nadvláda není milníkem, o který bychom se měli starat.

Dnes má Aspuru-Guzik pro blízkou budoucnost dva cíle. Prvním je navrhnout modulární, cenově dostupnou verzi jeho systému s uzavřenou smyčkou, který může sloužit jako model vědcům z celého světa. Chce postavit laboratorní box typu vše v jednom, který bude obsahovat balíček ChemOS spolu s roboty pro syntézu a charakterizaci. Pomocí tohoto zařízení uživatel vyťuká popis daného materiálu a systém okamžitě simuluje a testuje kandidátské molekuly. Máme-li zahájit novou éru materiálů na vyžádání, z důvodů Aspuru-Guzik se technologie musí rozšiřovat – a musí být snadno použitelná.

Jeho druhým střednědobým cílem je umělecky se zapsat do města Toronto.

Několik dní po mé návštěvě v laboratoři jsem se k němu a jeho týmu připojil na noc lepení a plakátování. Stejně jako jeho práce s materiály, i toto bylo společné. Naše osmičlenná skupina zahrnovala Soap Ghost, odměřenou mladou ženu s tetováním na celých rukávech; Urban Ninja, šlachovitý muž středního věku, který přijel s vozíkem s kbelíkem pšeničné pasty, domácího tekutého lepidla; a Life, křehký nespavec, vlasy rozdělené doprostřed, z poloviny obarvené na blond jako Cruella de Vil. Půjdu dál až do východu slunce, řekl mi hravě. Každý měl svazky samolepek nebo role plakátů, které si sám navrhl.

V Torontu se tento druh pouličního umění – který nevyžaduje barvy ve spreji – trestá pokutami (i když policie často vypadá jinak), takže jsme postupovali rychle a nenápadně. Ninja nás zavedl uličkou k holé překližkové stěně zabedněné budovy a my jsme po ní sestoupili pomocí štětců, povrch jsme pokryli pastou a polepili obrázky – vousatý Buddha, krysa hrající na ukulele, Postava Bruho v róbě jako Jedi. Asambláž nedávala moc vizuální smysl, ale měla v sobě jakousi anarchickou krásu. V nemožně krátkém časovém rámci prázdnotu vystřídala mnohost a Aspuru-Guzik byl nadšený. Ta zeď byla před minutou prázdná, zvolal. Podívejte se na to teď.

Simon Lewsen je autor časopisu z Toronta .