疫情期间你是否关注过身边和开心放假，愉快玩乐的小学生、大学生形成鲜明对比的研究生们么？不能返校，对于研究生特别是博士研究生们（特别特别是湖北的研究生）简直是灭顶之灾！这样超长的假期给本对随时面临延期毕业威胁的研究僧们而言，无异于雪上加霜！
为什么对于很多的研究生而言，毕业成了普遍性的问题，特别是理工科的研究生，因为相对于文科类的学科，理工科的毕业更多的要依靠实验数据，而一个简单的数据背后可能是无数次的尝试-失败-重复-再尝试的过程。在每一个研究生冗长的科研生涯中，真正的核心实验的时间其实不多，很多的时间和精力其实都耗费在了枯燥无聊的基础实验的重复上。
不过，在科研的发展中，科学技术的发展也为我们的实验提供了助力，对于大多数研究者遇到的重复性问题，近日，《Nature》封面的研究似乎让我们看到了未来高效实验室的曙光！
2020年7月8日 Nature 封面文章
2020年7月8日，最新一期《Nature》杂志的封面文章报道了来自英国利物浦大学的科学家利用一款机器人“化学家”，设计出了效率更高的光催化剂的工作。根据报道这个机器人研究员不仅工作效率高、出错率也远远低于人类。而且它每天只需要充电 2个半小时，就可以全天候工作。真正的“充电两小时，工作一整天”。
不仅仅是工具，更像是“人”
在车床，机械流水线等自动化生产的今天，这样的机械装置似乎没有新意，在此前AI技术应用到科研领域也不是头一回，通过程序的设定大多所谓“机器人”都可以完成简单的实验操作，那么这次大肆报道的AI“研究员”又有什么不同呢？
根据利物浦大学安德鲁·库珀（Andrew Cooper）团队的描述。首先，从上图我们可以看到，这款机器人身高 1.75 米，和一个成年人差不多，全身重 400 kg。除了显眼的机械臂之外，还有一个巨大的底座，里面装载了机器人的运算硬件和灵活的运动系统（让它可以自由穿梭实验室）。
抛开“外貌”，这个机器人有强大的“视觉系统”，通过激光扫描+触觉反馈让它在黑暗环境下也可以正常移动，所以对于科研工作者来说，你下班关灯走后，它还可以继续正常工作。（PS：这对于暗处理实验来说简直不要太完美）
这位AI“研究员”是化学实验室开发的，所以称量试剂、配制试剂、抽真空、启动催化反应再到计量反应产物，这台机器人可以独立完成一项化学实验中的全部操作流程。
AI研究员的第一个实验——寻找高效催化剂
根据《Nature》论文中的报道，团队给予机器人的任务是优化将H2O分解成H2（即析氢反应）的反应效率。实验的背景是化学家们已经找到了一些潜在的光催化剂。机器人的工作就是通过不同的实验条件的尝试，找到最优的催化效果。
析氢反应
研究中，AI研究员的研究对象是一种被称作 P10 的共轭有机聚合物。此前的研究发现，P10 在有空穴捕获剂时，对析氢反应有着较好的催化效果。
基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究
AI研究员的第一项工作是从 30 款候选空穴捕获剂中，找到了最高效的一个【L-Cys（半胱氨酸）】。为了进一步提升析氢反应的效率，研究人员提出了 5 套候选方案：
- 改变染料增强对光的吸收能力；
- 利用NaOH改变溶液 pH 环境；
- 加入电解质NaCl，增加离子强度；
- 加表面活性剂改变催化剂的润湿性；
- 加二硅酸钠，提高L-Cys的效能。
说起来，这是一项不算太难理解和复杂的化学实验，但是如果交给一个人类研究生来做，却需要消耗大量的时间成本和精力。
8天，688个实验， 6500项操作
没有研究生拿到实验时的欣（Ma）喜（Ma）若（Lie）狂（Lie），AI研究员毫无波（yuan）澜（yan）的，开始了一个“人”实验-充电-上班的生活。
为了筛选出效率最高的反应条件，实验要求AI“研究员”需要同时考虑 3 种染料条件、NaOH浓度、NaCl浓度、两种表面活性剂及二硅酸钠浓度，另外还要考虑P10 和 L-Cys的浓度条件。想想都是个麻烦的工作。
为了提高效率，研究人员为AI研究员开发了一套算法。通过贝叶斯优化，机器人可以在实验过程中根据前一轮实验的结果，自主选择接下来的实验参数，从而避免不必要的尝试。通过最初的 22 次摸索，AI研究员很快发现，加入NaCl可以小幅提升析氢反应的效率。在大约 150 次实验之后，机器人已经排除了 3 种染料以及两种表面活性剂。
最终，AI“研究员”，总共耗时 172 h（约8天）；移动了 319 次，移动总距离 2.17 km；进行了 6500 项操作，进行了 688 次实验。
【附结果，即最优条件（光催化剂的活性提高 5 倍）：在 5 ml的H2O中，加入 5 mg P10、6 mg NaOH、200 mg L-Cys 和 7.5 mg 二硅酸钠。】
优势明显，虽不能代替真“人”，但是未来可期！
在这项的研究中，相比于人类，AI“化学家”展现出诸多优势。除了速度上的巨大优势，机器人不会像人类一样产生确认性偏差，并且犯错的几率也较低。
另外，研究中除了为该试验流程而搭建的光解台，其他工作台都没有经过改造，这也意味着人类科学家可以和AI研究员共享实验室及仪器设备。
不过，虽然整个实验操作过程是机器人加以思考，并且独立自主完成的，但前期设计出这一课题、提出 5 套候选方案，挑选候选化学试剂，和“思考”程序的都是人类科学家。创造性的思想，依然是机器人尚无法具有的能力。
对于大多数科研工作者，或者只是想毕业的研究生们来说，如果有这样的AI“研究员”助力，无疑会大大提升我们的实验效率，提高我们的科研产出。
并且大大降低科研人员的猝s率、自sha率、脱发率、失眠率以及延期毕业人数……
参考信息：
- Nature：《A mobile robotic chemist》 https://doi.org/10.1038/s41586-020-2442-2
- 环球科学：《Nature封面：8天做完688个实验，每天工作21.5小时，实验机器人展现超强战斗力》 https://mp.weixin.qq.com/s/s618gDw3kCzPxkzxojd4vQ
- UBiology：《机器学者的出现 | 如果机器人会做实验，那还要需要研究生们么？》https://mp.weixin.qq.com/s/o8zh9he79pm_nW82DQ2ZVw
