人类2000年的工作量,AI只需5周,中国科大开发AI机器人化学家,为火星任务奠定基础

多客科技

作者：机数量子




撰文丨王聪

最近几十年来，火星吸引了世界各国的密集的科学探索和研究。在火星上寻找过去是否有生命存在的迹象，以及建立潜在的可居住地区一直是人类的梦想。
近几年，马斯克的星舰计划让火星移民备注关注。氧气供应是在火星上进行任何人类活动的首要任务，无论是火箭推进剂，还是生命支持系统，都需要消耗大量的氧气，而火星稀薄的大气中缺少氧气。让火星移民等潜在任务从长远来看更具成本效益、更不复杂的方法之一，就是使用火星上已有的资源来制造氧气，而非从地球运送材料。
幸运的是，近期在火星上发现的水存在的证据，以及对火星上陨石成分的元素组成分析，为我们通过太阳能驱动的电化学反应在火星上大规模生产氧气带来了前景。
2023年11月13日，中国科学技术大学罗毅、江俊、尚伟伟团队合作，在 Nature 子刊 Nature Synthesis 上发表了题为：Automated synthesis of oxygen-producing catalysts from Martian meteorites by a robotic AI chemist 的研究论文。
研究团队使用机器人人工智能化学家，从火星陨石中制造出了制氧材料。这一研究为制氧提供了概念验证，或可影响未来的载人火星任务。



使用火星上已有的材料开发的外星催化剂，可以实现火星上燃料和氧气的现场生产，这代表着探索火星的一个“低垂的果实”。然而，要使用火星已有的原材料合成可用的析氧反应（OER）催化剂，必须克服两个主要的技术挑战。

首先，合成系统必须是无人驾驶和自主导航的，因为地球与火星之间遥远的距离（最近距离5500万公里，最远距离4亿公里）阻碍了人类的实时远程指导。
其次，它要配备科学智能，以便通过人工智能（AI）算法有效地识别催化剂成分的最佳配方，并了解火星矿石中的元素丰度。
根据给定的元素列表设计催化剂需要探索巨大的化学空间，这让传统的“试错”范式成为一项艰巨的任务。如果以五种不同的火星矿石作为原料，根据以1%间隔的整数百分比组合估计，就有3764376种可能的配方，按每个实验验证至少5小时计算，从中找到最佳配方需要2000年的人力才能完成。
具有人工智能的机器人合成系统，似乎是解决这两个挑战的唯一可行技术，这也在最近的自动化化学合成系统中得到了证明。

在这项研究中，研究团队开发了一个机器人AI化学家，能制造催化剂用于以火星材料生产氧气，而且无需人类干预。研究团队选择了五种不同类别的陨石，来自或已确认存在于火星，由机器人AI化学家进行分析。机器人AI化学家能够将陨石转化为化合物，从中制造催化剂，再测试其制氧性能。机器人会重复这个过程，直到找出最好的催化剂。



如下图所示，这个机器人AI化学家，用于在火星上现场设计和生产析氧反应（OER）的电催化剂，由一个移动机器人、一个计算“大脑”、一个云服务器和14个特定任务工作站组成。


机器人AI化学家工程流程
整个过程，包括火星矿石预处理、催化剂合成、表征、测试，以及最重要的——寻找最佳催化剂配方，都是在没有人类干预的情况下由机器人AI化学家自主完成。使用从第一性原理数据和实验测量中得出的机器学习模型，这种方法可以从超过三百万种可能的成分组合中自动快速地识别最佳催化剂配方。这一过程如果通过人类来完成，需要花费2000年之久，而该机器人AI化学家只用了5周时间。
研究团队接下来验证了机器人AI化学家找到的催化剂配方在模拟的火星条件下运作的情况，其可在电流密度为10mA cm-2， 过电位为445.1 mV的条件下运行超过550000秒。证明了机器人AI化学家在火星探测化学品和材料的自动化合成中的可行性。


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研究团队总结道，这一机器人AI化学家可用火星陨石自动化生产催化剂，这可能会为人类未来在火星上制氧提供一种方法。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s44160-023-00424-1