中青報·中青網(wǎng)記者 王海涵

“化學(xué)研究的初級階段好比交通方式中的‘步行’,，隨著技術(shù)手段升級,，研究程度加深,、效率變高，等于用上了自行車,、摩托車、汽車,。當(dāng)引入人工智能,，好比坐上火箭。最終必然‘量變引起質(zhì)變’,，帶我們?nèi)ヒ郧叭ゲ涣说牡胤健,！痹谥袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué),，精準(zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室主任李震宇用這樣一個比喻形容化學(xué)研究的變革,。

“去以前去不了的地方”是李震宇和所在實驗室團(tuán)隊孜孜不倦的科研追求,。今年1月,，中國科學(xué)院精準(zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室正式獲批建設(shè),，由近一百位年輕人組成，除化學(xué)與材料科學(xué)專業(yè)的師生外,，還包括計算機(jī)、人工智能,、大數(shù)據(jù)等方向的研究人員,，聚焦如何改變化學(xué)研究范式這一關(guān)鍵科學(xué)問題，形成集群和協(xié)同攻關(guān)優(yōu)勢,。

化學(xué)研究何以牽動人類科研夢想,？

縱觀歷史，化學(xué)研究由煉丹,、煉金演變而來,，人類衣食住行離不開化學(xué)物質(zhì)。同時,，作為基礎(chǔ)科學(xué)的化學(xué),，也是多學(xué)科交叉的聚集點和出發(fā)點，化學(xué)研究在能源,、環(huán)境,、材料、生物醫(yī)藥等應(yīng)用領(lǐng)域扮演日益重要的角色,。

歷經(jīng)數(shù)百年科研攀登,，如今，精準(zhǔn)智能化學(xué)成為化學(xué)家的夢想,，更是實現(xiàn)化學(xué)學(xué)科跨越式發(fā)展的契機(jī),。而以人工智能為代表的新技術(shù)會不會重新定義化學(xué)的未來，改變化學(xué)研究的面貌,？這個問題也一直縈繞在科研工作者心中。

化學(xué)版GPT來了,，激起科研范式變革浪花

在精準(zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室中的機(jī)器化學(xué)家實驗室，青年科研人員只需在控制大屏輸入指令,，兩個動作靈活的機(jī)器人“小來”和“小?！本涂梢栽趲讉€操作臺間穿梭,，伸出機(jī)械手臂進(jìn)行試劑配制。

中國科大化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授江俊團(tuán)隊開發(fā)了全球首個集閱讀文獻(xiàn),、設(shè)計實驗,、自主優(yōu)化于一體，覆蓋化學(xué)品開發(fā)全流程的機(jī)器化學(xué)家平臺,，從數(shù)百萬的可能組合中找到全局最優(yōu)解加快材料研發(fā),。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為,，該成果引領(lǐng)化學(xué)研究朝著知識理解數(shù)字化、操作指令化,、創(chuàng)制智能化的趨勢前進(jìn),，將對化學(xué)科學(xué)產(chǎn)生巨大影響,。

江俊團(tuán)隊有近30位成員，大多是90后,、95后,，大家懷抱“做中國人自己的材料數(shù)據(jù)庫”的科研夢想。在關(guān)鍵節(jié)點——建立數(shù)據(jù)庫知識圖譜時,，團(tuán)隊曾吃了一番苦頭：數(shù)據(jù)質(zhì)量良莠不齊，無法進(jìn)行高效檢索,，不得不投入大量人力物力為數(shù)據(jù)打上識別標(biāo)簽,。

江?。ㄓ遥┖透毖芯繂T朱青在做實驗,。張大崗/攝

無奈和碰壁倒逼江俊提升研究效率，2014年,，建立會思考的“化學(xué)大腦”的念頭在江俊心中萌發(fā)。他找來人工智能,、電子科技,、數(shù)學(xué)、化學(xué)等專業(yè)方向人才，組成交叉學(xué)科背景的團(tuán)隊,，將大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)注入平臺的計算大腦,，建立理實交融的智能模型。歷經(jīng)8年探索，打造初代機(jī)器化學(xué)家“小來”,。

值得一提的是,，在高熵催化劑等實驗中，“小來”可以從55萬種可能的金屬配比中找出全局最優(yōu)解,，將傳統(tǒng)“試錯法”實驗所需的1400年科研周期縮短為5周,。

論文閱讀,、機(jī)器人做實驗,、數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化篩選……當(dāng)前,，江俊團(tuán)隊科研全流程都有人工智能的貢獻(xiàn)印記,，今年年初，在多任務(wù)處理性能上實現(xiàn)升級的第二代機(jī)器化學(xué)家小?！罢Q生”,。

如今,，團(tuán)隊又自主研發(fā)了一款閱讀了50萬篇文獻(xiàn)的化學(xué)領(lǐng)域聊天機(jī)器人程序Chem-GPT，它能夠針對使用者提出的問題,，給出從文獻(xiàn)中學(xué)習(xí)到的可靠答案,，從而驅(qū)動機(jī)器化學(xué)家做實驗，助力化學(xué)品和新材料研發(fā),。

江俊分析,，人工智能給化學(xué)研究帶來如下改變：基于大語言模型，從文獻(xiàn),、專利,、教科書等數(shù)據(jù)源中挖掘化學(xué)數(shù)據(jù)，建立化學(xué)知識圖譜,，用于支持化學(xué)研究決策和創(chuàng)新,；建立物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組分,、制備工藝等因素與性質(zhì)間的關(guān)系模型,，用于指導(dǎo)新型的分子、材料,、催化劑,、藥物等的設(shè)計與優(yōu)化；結(jié)合人工智能技術(shù)幫助化學(xué)家自動設(shè)計實驗方案,、優(yōu)化實驗過程,，并進(jìn)行自動測量表征。

他談道,，對人工智能機(jī)器人平臺而言，首要挑戰(zhàn)是“如何賦予機(jī)器人物質(zhì)級別的感知能力和對化學(xué)過程的預(yù)判能力”,。這兩個能力是讓人工智能能夠真正理解復(fù)雜物質(zhì)世界,、捕捉化學(xué)系統(tǒng)的本質(zhì)特征規(guī)律的關(guān)鍵。在他的科研藍(lán)圖里,，未來研發(fā)出模仿學(xué)習(xí)人類科學(xué)家創(chuàng)造力,、具備“看”“聞”“聽”“觸”環(huán)境感知的“智慧科學(xué)家”，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動的化學(xué)研究新范式,。

李震宇總結(jié)道,，傳統(tǒng)的研究范式深度依賴于“試錯法”，效率低,。公眾對化學(xué)的認(rèn)識停留在不環(huán)保,、不經(jīng)濟(jì)、不安全等刻板印象,，迫切需要提升化學(xué)研究的精準(zhǔn)程度與效率,，讓公眾對化學(xué)面貌有新的認(rèn)識。而人工智能等先進(jìn)技術(shù)，無疑有助于探索建立化學(xué)研究的精準(zhǔn)化,、智能化雙驅(qū)動模式,。

人工智能浪潮下，科研還需要坐“冷板凳”嗎

當(dāng)先進(jìn)技術(shù)不斷迭代應(yīng)用,，讓人不禁思考,，我們是否還需要“冷板凳”式的科研，反復(fù)試錯的意義又在哪里,？

近日,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌課題組、李震宇課題組與浙江工業(yè)大學(xué)陶新永課題組合作,，基于雙碳背景下電化學(xué)儲能發(fā)展的新范式,，設(shè)計開發(fā)出鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新家族LixMyLnzCl3，在無任何電極修飾的情況下實現(xiàn)了室溫可運(yùn)行的全固態(tài)鋰金屬電池,，成果于今年4月5日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上,。

這一被業(yè)內(nèi)專家稱贊為電化學(xué)儲能領(lǐng)域固態(tài)電解質(zhì)材料新突破的背后，一群年輕人就飽嘗“冷板凳”之苦,。從湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)推免至中國科大讀研的羅錦達(dá)是其中之一,，進(jìn)組三年，他從零基礎(chǔ)“小白”成長為科研主力,。

姚宏斌團(tuán)隊博士后殷逸臣展示實驗成果。代蕊/攝

2021年2月,，還在讀大四的羅錦達(dá)抱著學(xué)習(xí)的心態(tài)來到中國科大做畢業(yè)設(shè)計,，剛好趕上上述課題的萌芽狀態(tài)。大四畢業(yè)后,，沒有畢業(yè)旅行和假期,，他幾乎每天都在實驗室中度過。每位前輩都耐心解答這位準(zhǔn)研一新生提出的每個問題,，正是在這種尊重科研的氛圍下,，“跨界”應(yīng)用化學(xué)方向的羅錦達(dá)，往研究中心地帶快速成長靠攏,。

由于對計算機(jī)編程感興趣,，羅錦達(dá)每天一有空就前往圖書館讀論文、書籍,。研究中,，他和小伙伴每天晚上在實驗室待到很晚,，每人分別分析和復(fù)盤研究進(jìn)展,。此前,，組內(nèi)一位學(xué)長嘗試用第一性原理計算來研究材料擴(kuò)散性質(zhì)，但由于沒有考慮到材料尺寸效應(yīng)以及界面的應(yīng)力作用,，結(jié)果和預(yù)期相反,。

“因為實驗原材料、環(huán)境天氣等客觀因素和操作不當(dāng),、經(jīng)驗不足等主觀原因,，研究過程中遇到挫折是家常便飯，尤其是理論計算,，有時花費大量時間精力,，最后發(fā)現(xiàn)結(jié)果不盡人意。但不能因為一條路走不通,，就否定大的科研方向,，要不斷總結(jié)原因?！绷_錦達(dá)說,。

那位學(xué)長畢業(yè)離組后，羅錦達(dá)接過關(guān)鍵的理論計算模擬任務(wù),，并調(diào)整思路,，從零開始學(xué)習(xí)分子動力學(xué)知識。他嘗試運(yùn)用密度泛函理論,、分子動力學(xué)模擬和鍵價位能等方法,，來研究實驗對象獨特的結(jié)構(gòu)和離子傳導(dǎo)機(jī)制，從原子尺度更好地理解鋰離子的擴(kuò)散行為,，對后續(xù)實驗合成有很大的指導(dǎo)作用,。

處理計算模擬數(shù)據(jù)時，羅錦達(dá)又化身“程序員”,，自學(xué)編程語言python,，他覺得，每天都專注解決一個新問題,，這種生活開心且充實。

最終,，團(tuán)隊根據(jù)計算機(jī)模擬結(jié)果,，設(shè)計出常溫條件下可以穩(wěn)定存在的鑭系金屬氯化物，合成出相應(yīng)的固態(tài)電解質(zhì),。他們把研究數(shù)據(jù)錄入合肥先進(jìn)計算中心進(jìn)行模擬分析,，最終實現(xiàn)鋰離子在空間里的快速傳導(dǎo)。

“先進(jìn)的技術(shù)可以幫助科研人員快速分析和處理知識,、提取有用信息,、找出規(guī)律和趨勢?！痹谝瓯罂磥?，有了先進(jìn)的計算方法,，未來計劃引入人工智能機(jī)器學(xué)習(xí),，可以優(yōu)化出更好的電解質(zhì)體系,，探索新的高性能固態(tài)電解質(zhì)材料,，實現(xiàn)更穩(wěn)定的界面并適配到實際的電池中。

姚宏斌（左一）指導(dǎo)學(xué)生們做實驗,。代蕊/攝

但他同時指出，科研的本質(zhì)創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn),，以及對問題深入思考和探索，這些過程往往需要反復(fù)試錯和不斷嘗試,。即使在數(shù)據(jù)處理方面已經(jīng)有了成熟的技術(shù)工具，年輕人在做科研的數(shù)據(jù)積累階段仍然需要坐“冷板凳”,，這是幫助年輕人更好理解問題的必經(jīng)之路。

李震宇持有相同看法,。他觀察到，人工智能擅長高通量的精準(zhǔn)實驗,、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理等能力，但并不具備人類的創(chuàng)造性和判斷力等思維能力,，無法創(chuàng)造出超越現(xiàn)有新穎化學(xué)思想的方法,。因此,，“冷板凳”有助于培養(yǎng)對化學(xué)有深刻理解和洞察力的人才,。

據(jù)江俊課題組核心成員肖恒宇博士分析,，年輕人在科研數(shù)據(jù)積累時,，可以利用人工智能技術(shù)來加速數(shù)據(jù)生成、收集,、整理，但在研究尚未深入的領(lǐng)域,，缺乏經(jīng)驗的學(xué)生需要反復(fù)試錯。

人和AI如何“打配合”,，科研效果才能最優(yōu)

采訪過程中，很多師生提到了化學(xué)研究中“數(shù)據(jù)”的重要性——數(shù)據(jù)和技術(shù)相伴相生,，人與技術(shù)的“合作關(guān)系”也離不開數(shù)據(jù)的支撐。

江俊團(tuán)隊的機(jī)器化學(xué)家自誕生之初就與海量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)打交道,?！皵?shù)據(jù)時代給我們帶來新機(jī)遇，同時也帶來不少難題,。本質(zhì)上說,，智能來自對數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)少,，有用的知識就少，一些小數(shù)據(jù)對于化學(xué)研究來說珍貴稀疏,，因此，做實驗‘很貴’,。”江俊說。

“現(xiàn)階段大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是從文獻(xiàn)中收集來的,，而文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)經(jīng)常是被‘美化’過的理想數(shù)據(jù),。此外，標(biāo)注數(shù)據(jù)需要大量人力物力,，隨著數(shù)據(jù)需求上升，這部分成本會越來越高,?！苯≌n題組博士生喬欽禹說,。

還有部分師生談及,，由于現(xiàn)存研究數(shù)據(jù)來源多且雜，當(dāng)高質(zhì)量和低質(zhì)量數(shù)據(jù)混在一起,，人工智能很容易學(xué)到“錯誤的數(shù)據(jù)”，開頭就錯了,，后面自然會影響效率甚至準(zhǔn)確性,。

算力算法的缺失也是現(xiàn)階段痛點之一。

由于GPU算力不足,，使得江俊團(tuán)隊的ChemGPT“跑不快”，訓(xùn)練迭代起來很慢,。“人工智能大規(guī)模應(yīng)用勢不可擋,，現(xiàn)有人工智能算力不足是亟待解決的問題?！苯≌n題組的博士生馮毅也注意到類似問題。

“精準(zhǔn)化學(xué)非常依賴實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,?！崩钫鹩罡嬖V記者,，改變現(xiàn)有痛點的可行路徑是通過精準(zhǔn)計算和精準(zhǔn)制備,，得到大量精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)出發(fā)來得到高的化學(xué)智能,。有了智能技術(shù)以后，再回過頭來對化學(xué)反應(yīng),、分子性質(zhì)、材料性質(zhì)進(jìn)行做精準(zhǔn)調(diào)控,，形成完整的研究閉環(huán)。

喬欽禹也曾對二者的“分工”做過設(shè)想：低端,、可重復(fù)的循環(huán)實驗操作,，交給人工智能,、自動化等技術(shù)來完成，以完成數(shù)據(jù)積累,；而分析、創(chuàng)新,、糾錯等操作交給人來做，例如總結(jié)規(guī)律,，發(fā)明創(chuàng)造等,。

李震宇提出，最佳合作模式應(yīng)由人類提出科學(xué)問題和假設(shè)，人工智能設(shè)計實驗,、采集數(shù)據(jù)、構(gòu)建模型并驗證人的假說,。同時，人類可以根據(jù)人工智能化學(xué)實驗機(jī)器人提供的數(shù)據(jù)和反饋,，調(diào)整和改進(jìn)自己的化學(xué)思路和方法,，共同完成更高水平的化學(xué)研究。

姚宏斌也期待,，“希望整個范式更加精準(zhǔn)化,、智能化，通過人工智能自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化,，可以針對復(fù)雜環(huán)境體系得到全局最優(yōu)解，最終有望跳出原有的試錯法框架,?！?/p>

技術(shù)加持下,，人類科學(xué)研究的邊界在哪里

近年來,，隨著人工智能算法、大數(shù)據(jù)技術(shù)等“火爆”名詞的出現(xiàn),，有關(guān)“人類能否拓展科學(xué)研究邊界”的話題再度回歸。

“物理學(xué)領(lǐng)域,，人類能夠探究到宇宙的起源和演化,，但仍然無法解釋暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)；生命科學(xué)領(lǐng)域,，我們已經(jīng)能夠破解基因密碼,，但無法完全理解生命的起源和演化；社會科學(xué)領(lǐng)域,，我們能夠通過大數(shù)據(jù)分析來研究人類行為和社會現(xiàn)象,，但無法完全預(yù)測人類行為的復(fù)雜性和多樣性……”姚宏斌說,，先進(jìn)技術(shù)為人類探究更深層次的科學(xué)問題提供更多可能性和機(jī)會。然而,，科學(xué)探究的邊界并不由技術(shù)的發(fā)展所決定,，它同時被人類對自然界的認(rèn)知和理解所限制著。

在他看來,，當(dāng)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,，人類可以更深入地探究自然界的奧秘，但是科研工作者也需要不斷拓展自身認(rèn)知和理解,，才能更好地理解和解釋自然界的復(fù)雜和多樣。

馮毅告訴記者,，當(dāng)發(fā)達(dá)的技術(shù)解放了科學(xué)家的雙手,，讓他們有更多的時間去思考,，激發(fā)更多創(chuàng)新性成果，大家對于科學(xué)的認(rèn)知也就越深入，就會發(fā)現(xiàn)越來越多的科學(xué)問題和無法解釋的現(xiàn)象可以繼續(xù)探索,。

喬欽禹也認(rèn)為人類的科學(xué)探究沒有邊界,。他說,，“先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn),，就是讓我們不斷地拓展邊界。相應(yīng)的,，有關(guān)部門應(yīng)該給予坐‘冷板凳’的年輕人更多物質(zhì)上和精神上的支持。對知識的渴求,，永遠(yuǎn)是人類前進(jìn)的動力之一?！?/p>

江俊的觀點是懷抱更開放的胸懷和心態(tài)去提升自我。他說,，“現(xiàn)階段的科研知識樹已經(jīng)無比龐大，沒有人能看到全局,，我們應(yīng)該找到自己喜歡的葉面,。在任何一個專業(yè)，在自身專業(yè)領(lǐng)域把知識脈絡(luò)看清楚,，精準(zhǔn)、扎實掌握知識精髓,。”

幾年來,，他學(xué)習(xí)了很多新知識,，甚至試著向本科生學(xué)習(xí)弄清一些新問題，開組會時,，他甚至插不上嘴，只提供方向上的指導(dǎo),。

肖恒宇覺得，如果科學(xué)探究的邊界一詞是指科學(xué)的前沿,，那么科學(xué)研究本身就是在不斷拓展科學(xué)的邊界、加強(qiáng)人類對自然的認(rèn)知的過程,；如果科學(xué)探究的邊界一詞是指人類科學(xué)不能超越的限制，該限制或許就代表人類目前所能觀測到的自然現(xiàn)象的集合,，當(dāng)人類所創(chuàng)造的理論、預(yù)測的自然現(xiàn)象超越了這個集合之后,，就無法證實或證偽理論，使得理論失去現(xiàn)實意義,。

“當(dāng)討論話題回到原點,，其實人工智能是典型的問題驅(qū)動學(xué)科,，相關(guān)研究尚處于初級階段,。化學(xué)研究的體系是獨特且復(fù)雜的,，看似簡單的化學(xué)反應(yīng),，影響因素涉及分子結(jié)構(gòu),、材料性質(zhì)等,。”李震宇呼吁,，應(yīng)該研發(fā)專門服務(wù)于精準(zhǔn)化學(xué)研究的人工智能新算法，發(fā)展先進(jìn)的理論計算與實驗表征方法,，細(xì)化到溫度、壓強(qiáng),、分子式等各種參數(shù)，必將大幅提升化學(xué)研究效率,。

他進(jìn)一步解釋道：“科學(xué)研究本身就是在不斷拓展邊界、加強(qiáng)人類對自然的認(rèn)知過程,。精密的儀器,、高性能的計算方法、人工智能等先進(jìn)技術(shù)能夠幫助人們更快,、更好地進(jìn)行科研探索，在可預(yù)見的將來加速擴(kuò)大科學(xué)研究的邊界,?！?/p>

來源：中國青年報客戶端