人工智能窮舉化學(xué)反應(yīng)，解決生命起源問(wèn)題

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，格拉斯哥大學(xué)化學(xué)教授李·克羅寧(Lee Cronin)開發(fā)出一個(gè)可以運(yùn)行多個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的人工智能機(jī)器人，并利用質(zhì)譜儀，核磁共振儀和紅外光譜儀實(shí)時(shí)評(píng)估反應(yīng)過(guò)程。通過(guò)并行運(yùn)行化學(xué)反應(yīng)，克羅寧希望能夠減少有機(jī)化學(xué)家的工作，最終找出無(wú)機(jī)分子如何形成了有機(jī)分子。他將自己為化學(xué)所做的事情等同于希格斯玻色子在粒子物理學(xué)中的影響。

克羅寧常常說(shuō)：“如果我要求有機(jī)化學(xué)家隨便給我做出一個(gè)新的分子，他們是無(wú)法做到的。這并不是因?yàn)樗麄冇薮?，而是因?yàn)檫@是一個(gè)愚蠢的請(qǐng)求。他們會(huì)明確問(wèn)我什么類型的分子和什么規(guī)格。這可能需要一周甚至于十年時(shí)間，這完全是在浪費(fèi)他們的時(shí)間?！?/p>

克羅寧意識(shí)到，即使這對(duì)人類來(lái)說(shuō)是一個(gè)困難的問(wèn)題，但對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，完成這個(gè)任務(wù)可能并不困難?！拔覀兛梢宰屢粋€(gè)機(jī)器人在沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)的情況下開始混合隨機(jī)化學(xué)品，看看會(huì)發(fā)生什么？換句話說(shuō)，就是各種混合并觀察結(jié)果？”克羅寧說(shuō)道。所以他決定開發(fā)一個(gè)。

開發(fā)這樣一個(gè)機(jī)器人花了幾年時(shí)間，第一個(gè)結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。機(jī)器人由機(jī)器學(xué)習(xí)算法控制，能夠同時(shí)運(yùn)行六個(gè)實(shí)驗(yàn)，并利用質(zhì)譜儀，核磁共振儀和紅外光譜儀實(shí)時(shí)評(píng)估反應(yīng)過(guò)程?！拔业撵`感來(lái)自無(wú)人機(jī)如何使用低成本的傳感器進(jìn)行飛行，”克羅寧說(shuō)，“因此，我為化學(xué)機(jī)器人安裝了這些傳感器。”然后，一種算法對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分類。

克羅寧團(tuán)隊(duì)的一名化學(xué)家首先使用親核試劑和親電試劑來(lái)訓(xùn)練機(jī)器人識(shí)別反應(yīng)。這都是易于相互反應(yīng)的化學(xué)試劑。對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)通常是一個(gè)挑戰(zhàn)。“化學(xué)家們希望賦予機(jī)器人他們的想法，”克羅寧說(shuō)，“但我很固執(zhí)地不想這樣做。我希望看到當(dāng)我消除偏見時(shí)會(huì)發(fā)生什么，因?yàn)槲椰F(xiàn)在很確定我們將發(fā)現(xiàn)化學(xué)家無(wú)法想象的全新反應(yīng)?！?/p>

在論文中，克羅寧和他的團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，沒(méi)有任何化學(xué)數(shù)據(jù)會(huì)告訴機(jī)器人哪種化學(xué)組合更具反應(yīng)性，而在初始訓(xùn)練之后，機(jī)器人開始預(yù)測(cè)大約1,000種化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)性，精確度為86%?！皺C(jī)器人允許我們做的事情基本上是讓這些最具反應(yīng)性的發(fā)現(xiàn)過(guò)程快了幾倍，”克羅寧說(shuō)。“如果說(shuō)這個(gè)機(jī)器人到底帶給我們什么，我們所做的就是將化學(xué)家的工作量減少90%。”

這些預(yù)測(cè)后來(lái)被一位化學(xué)家證實(shí)，而讓克羅寧感到驚訝的是，這也導(dǎo)致了四種新化學(xué)反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)?！拔覇?wèn)我的同事，他是否對(duì)這些發(fā)現(xiàn)有把握，因?yàn)槲覍?duì)有機(jī)化學(xué)的了解非常貧乏，”克羅寧說(shuō)，“我之所以沒(méi)有什么偏見的原因之一就是因?yàn)槲以谟袡C(jī)化學(xué)領(lǐng)域是個(gè)白癡?！痹谖磥?lái)，克羅寧希望舉辦一場(chǎng)類似于加里·卡斯帕羅夫(Gary Kasparov)與深藍(lán)的國(guó)際象棋比賽比賽，但是他的機(jī)器人將與世界上最好的有機(jī)化學(xué)家相對(duì)抗。

克羅寧的機(jī)器人是一個(gè)非常不同的原始項(xiàng)目的間接結(jié)果：對(duì)生命起源的調(diào)查。換句話說(shuō)，第一個(gè)可以組裝，復(fù)制和進(jìn)化的分子是如何從無(wú)機(jī)物質(zhì)中自發(fā)產(chǎn)生的?！拔覇?wèn)過(guò)這樣的問(wèn)題：第一種可自我復(fù)制的有機(jī)分子是什么，第一種蛋白質(zhì)是什么？現(xiàn)在回答這些問(wèn)題非常困難，所以我需要開發(fā)一個(gè)化學(xué)搜索引擎?！痹讷@得第一批結(jié)果后，他意識(shí)到機(jī)器人可以用于更實(shí)際的用途，比如說(shuō)發(fā)現(xiàn)新的藥物和化學(xué)物質(zhì)。

克羅寧認(rèn)為，在某些方面，升級(jí)版的人工智能機(jī)器人要比DeepMind開發(fā)的人工智能算法更好?！安⒉皇钦f(shuō)DeepMind不好，而是說(shuō)它是純粹的算法和模擬。這是一個(gè)非常不同的問(wèn)題。我們的機(jī)器人可以在具體操作中找到新的東西。我們有這樣一個(gè)可以實(shí)際展示人類觀察和創(chuàng)造力的機(jī)器人，因?yàn)樗业搅宋覀儧](méi)想到的新東西，“他說(shuō)。新版本的機(jī)器人配備了額外的傳感器——如酶分析和光探測(cè)器——有助于在特定應(yīng)用中進(jìn)行化學(xué)發(fā)現(xiàn)。

未來(lái)，克羅寧希望他的發(fā)明能夠成為一個(gè)真正的數(shù)字化學(xué)家：一個(gè)不僅能夠發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)物質(zhì)，優(yōu)化分子并使其變得更純凈，并且可以獲取分子代碼、根據(jù)需要生產(chǎn)化學(xué)品。當(dāng)然，這些應(yīng)用從理論上講是巨大的，它們能讓我們發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)從基因定制藥物到不會(huì)污染環(huán)境的新型塑料在內(nèi)的所有產(chǎn)品。

與預(yù)期相反，這種特殊的人工智能機(jī)器人并不會(huì)讓有機(jī)化學(xué)家失業(yè)?！坝泻芏嗳丝浯笕斯ぶ悄苁且环N有知覺的東西，”克羅寧說(shuō)，“事實(shí)上，人工智能只不過(guò)是一種回歸算法。訓(xùn)練來(lái)自化學(xué)家。沒(méi)有化學(xué)家，沒(méi)有人工智能?！?/p>

相反，克羅寧認(rèn)為，機(jī)器人不僅可以節(jié)省不必要的勞動(dòng)力，還可以確保有機(jī)化學(xué)家能夠有更多的時(shí)間進(jìn)行富有成效的研究。例如，克羅寧和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始編制一個(gè)失敗反應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，這將有助于讓化學(xué)家不再需要重復(fù)已經(jīng)證明不起作用的實(shí)驗(yàn)，從而節(jié)省更多時(shí)間?！皬臍v史上看，我們?cè)谟袡C(jī)化學(xué)方面沒(méi)有做任何事，”他說(shuō)，“我們剛剛開始接觸到皮毛?！彼f(shuō)在可能的1060種化合物中，科學(xué)家只清楚其中的大約1億個(gè)分子（分子量低于500）。

“這意味著我們?cè)诔^(guò)兩百年的時(shí)間里制造了不到0.00000000000000000000000000000000000000000000001（10^-52）%的分子?！笨肆_寧在給《自然》雜志的信中寫道， “即使在世界各地工作的所有20萬(wàn)個(gè)化學(xué)家都能夠平均每天探索三種反應(yīng)條件，并且每位化學(xué)家全年都在晝夜不停地工作，所以最多可以探索的新化學(xué)反應(yīng)也就是每年2億個(gè)，其中只有一小部分會(huì)產(chǎn)生新的分子。事實(shí)上，如果我們假設(shè)地球上的所有人都成為有機(jī)化學(xué)家并在宇宙的整個(gè)生命周期中全程探索化學(xué)反應(yīng)，那么可以合成的化合物不到1030種。

與此同時(shí)，克羅寧在他關(guān)于生命起源的初步研究方面也取得了進(jìn)展。在他的實(shí)驗(yàn)室中，其中一個(gè)機(jī)器人正在使用簡(jiǎn)單的分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，試圖自發(fā)地制造更復(fù)雜的分子。從理論上講，這些分子將表現(xiàn)出克羅寧所謂的“不合理的復(fù)雜性”——“會(huì)在沒(méi)有像我這樣的生活系統(tǒng)干預(yù)的情況下，自然產(chǎn)生更復(fù)雜的分子”。

“在生活中沒(méi)有制造者，沒(méi)有創(chuàng)造論者，只有世界及化學(xué)，”克羅寧說(shuō)?！耙虼耍谖覀兊臋C(jī)器人中，之所以說(shuō)我們作弊是因?yàn)槲覀兎湃肓艘恍?fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，我們知道這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)起作用并給我們帶來(lái)有趣的分子。我們現(xiàn)在正在做的是讓這些分子變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，看看我們?nèi)绾文軌驅(qū)崿F(xiàn)復(fù)雜化?！?/p>

克羅寧將他為化學(xué)所做的事情等同于希格斯玻色子在粒子物理學(xué)上的影響?！拔艺跒樯钠鹪唇ㄔ煲粋€(gè)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，”他說(shuō)。這可能會(huì)給他的計(jì)算機(jī)專家團(tuán)隊(duì)帶來(lái)驚喜?！拔覜](méi)有馬上告訴他們這是該項(xiàng)目的目標(biāo)，”克羅寧說(shuō)?！跋胂笠幌?，告訴一個(gè)博士后，他們將解決生命問(wèn)題的起源問(wèn)題，我們將建造一個(gè)可以制造有機(jī)分子的機(jī)器人。他們會(huì)瘋掉的！”