一直以來(lái)，化學(xué)家們的工作都通過(guò)人工方式完成，雖然自動(dòng)化在化學(xué)領(lǐng)域并非新鮮事，比如多肽的自動(dòng)合成以及高通量篩選等，但這些自動(dòng)化合成僅囿于單一類(lèi)型的化學(xué)反應或流程，目前還沒(méi)有可以涵蓋所有合成有機化學(xué)的數字自動(dòng)化標準和通用的化學(xué)操作編程語(yǔ)言。

　　有科學(xué)家向這一任務(wù)發(fā)起了挑戰！據美國消費者新聞與商業(yè)頻道網(wǎng)站近日報道，包括英國格拉斯哥大學(xué)化學(xué)家李·克羅寧等人在內，都在想方設法讓化學(xué)合成變得更自動(dòng)化。

　　比如，克羅寧團隊研發(fā)出了“化學(xué)機器人”以及化學(xué)描述語(yǔ)言和相應的計算機軟件，這套系統可以將化學(xué)文獻翻譯成機器人可以理解的分子配方，并自動(dòng)生產(chǎn)這些分子。

　　研究人員稱(chēng)，這些研究和嘗試有望引領(lǐng)化學(xué)走入自動(dòng)化時(shí)代，加速藥物研發(fā)進(jìn)程，催生更高效的太陽(yáng)能電池并助力太空探索。

　　“化學(xué)機器人”系統效率與化學(xué)家相當

　　據美國《科學(xué)》雜志報道，2018年年底，克羅寧團隊研制出了一款“化學(xué)計算機”，這是一套由試管、燒瓶、過(guò)濾和液-液分離裝置、蒸發(fā)器、以及輸送化學(xué)物質(zhì)的管道、閥門(mén)和泵組成的系統，其能運行一套編程語(yǔ)言控制相關(guān)分子的生成。

　　據悉，他們利用這一程序化自動(dòng)合成系統，在無(wú)須人力干預的情況下制備出了3種高品質(zhì)藥用化合物：鹽酸苯海拉明、魯非酰胺和西地那非，其生產(chǎn)效率和產(chǎn)品純度堪比人工合成。

　　現在，他們朝著(zhù)化學(xué)自動(dòng)化邁出了重要的第二步！本月初，克羅寧團隊在《科學(xué)》雜志上宣布，他們研發(fā)出了一套專(zhuān)用的化學(xué)描述語(yǔ)言（XDL），其可以教“化學(xué)計算機”做什么，此外，還研發(fā)出了一套名為SynthReader軟件，可將經(jīng)過(guò)同行評議的學(xué)術(shù)論文變成“化學(xué)計算機”可以執行的程序。

　　總而言之，克羅寧團隊的新系統將添加等指令轉換為XDL，XDL指導“化學(xué)計算機”使用其加熱器和試管執行相應的化學(xué)反應過(guò)程。他表示，該系統的優(yōu)勢之一是化學(xué)家可以用簡(jiǎn)單的英語(yǔ)編輯化學(xué)反應，無(wú)須培訓即可操作機器。至關(guān)重要的是，研究人員可以利用其化學(xué)專(zhuān)業(yè)知識發(fā)現代碼中的錯誤。

　　研究人員對該系統開(kāi)展的測試結果表明，其從文獻中提取了12種化學(xué)配方，“化學(xué)計算機”執行這些過(guò)程的效率與人類(lèi)化學(xué)家一樣。

　　克羅寧的夢(mèng)想是，未來(lái)研究人員可以像發(fā)送電子郵件和打印PDF文件一樣輕松地組裝和生產(chǎn)分子，使藥品生產(chǎn)加快進(jìn)入數字化時(shí)代。如此一來(lái)，化學(xué)家不必再去親力親為做常規合成，可以完全專(zhuān)注于尋找新的反應。此外，這套系統可以通過(guò)讓化學(xué)家遠離實(shí)驗室來(lái)使合成更安全，并通過(guò)幫助研究人員最大限度地減少溶劑使用，實(shí)現綠色環(huán)保。

　　克羅寧團隊希望，他們接下來(lái)能開(kāi)發(fā)出一個(gè)重要分子配方的在線(xiàn)存儲庫，可供研究人員免費下載，這有望幫助發(fā)展中國家更輕松地獲得藥物，實(shí)現更有效的國際科學(xué)合作，甚至為人類(lèi)探索太空提供支持。

　　競相將化學(xué)帶入自動(dòng)化時(shí)代

　　克羅寧團隊并非單槍匹馬在奮斗！目前有數十個(gè)小組在競相將化學(xué)帶入自動(dòng)化時(shí)代。研究人員認為，這一領(lǐng)域所取得的進(jìn)展有望催生更安全的藥物、更高效的太陽(yáng)能電池板以及顛覆性的新產(chǎn)業(yè)。

　　SRI生物科學(xué)公司就是其中之一，該公司正在開(kāi)發(fā)另一套自動(dòng)化化學(xué)系統。首席戰略官奈森·柯林斯說(shuō)：“過(guò)去200年來(lái)，大多數化學(xué)方法大同小異，這是一個(gè)非常手工的、由人力驅動(dòng)的過(guò)程，目前，我們正在改變這一現狀。”

　　柯林斯團隊正在研發(fā)的系統名為“自動(dòng)合成”。該平臺使用了一種名為“流動(dòng)”化學(xué)的替代方法。克羅寧的方法是讓物質(zhì)在一個(gè)燒杯中混合，然后移至另一個(gè)燒杯中。而流動(dòng)化學(xué)則讓化學(xué)反應持續進(jìn)行：化學(xué)品一起在管道中流動(dòng)，在那里發(fā)生反應并被帶走。柯林斯團隊今年6月撰文指出，“自動(dòng)合成”系統擁有3000多種通路，可以重現幾乎任何一種液基反應。

　　克羅寧表示，盡管“自動(dòng)化學(xué)”和“化學(xué)計算機”都可以復制今天已經(jīng)出版的大多數化學(xué)反應，下一步將是使這些機器更可靠。柯林斯則補充說(shuō)，以前，“自動(dòng)合成”系統50%的錯誤需要一名工程師來(lái)修復，但現在錯誤率不到10％，他們希望用戶(hù)最終可以通過(guò)電話(huà)來(lái)排除系統故障。

　　柯林斯強調說(shuō)：“化學(xué)自動(dòng)化仍是新生事物，過(guò)去18個(gè)月，它才開(kāi)始真正爆發(fā)。”

　　機器學(xué)習是“秘密武器”

　　研究人員指出，驅動(dòng)該領(lǐng)域快速發(fā)展的一個(gè)“推手”是美國國防部高級研究項目局。該部門(mén)發(fā)起了名為“制造（Make-It）”的四年計劃，“化學(xué)計算機”和“自動(dòng)合成”都囊括其中。該計劃項目經(jīng)理安妮·菲舍爾的長(cháng)期目標是加快發(fā)現有用分子的過(guò)程。

　　菲舍爾解釋稱(chēng)，要發(fā)現新分子，化學(xué)家需要費力將原子精加工成新穎的結構，“制造和測試這些分子費時(shí)費力”。但現在，“制造”項目促進(jìn)了“化學(xué)計算機”和“自動(dòng)合成”等機器人工具的研制，這些機器可以用于快速自動(dòng)制造出分子。

　　菲舍爾目前正領(lǐng)導一個(gè)新項目——“加速分子發(fā)現”，這是化學(xué)自動(dòng)化的新階段：開(kāi)發(fā)出更智能的軟件來(lái)告訴機器人要制造什么分子以及如何制作它們。

　　許多人認為，要做的這一點(diǎn)，“秘密武器”在于機器學(xué)習。現在有不少科學(xué)家在朝這方面努力，開(kāi)發(fā)能進(jìn)行基本化學(xué)學(xué)習的機器。比如，去年，美國麻省理工學(xué)院的化學(xué)家康納·康利所在的團隊讓一款算法與一套自動(dòng)流化學(xué)系統“聯(lián)姻”，以更好地指導系統的運行。他們用包含數十萬(wàn)個(gè)化學(xué)反應的數據庫對該算法進(jìn)行了訓練，該算法也能預測新產(chǎn)品的配方。康利說(shuō)：“基于這些模式，該系統可以發(fā)現如何設計出從未見(jiàn)過(guò)的新分子。”

　　不過(guò)，康利也強調說(shuō)，這套系統要想真正“大顯身手”，還有很長(cháng)的路要走。首先，它的預測基于相似的分子；而且，人類(lèi)化學(xué)家需要夯實(shí)機器生成過(guò)程中缺少的細節。

　　目前，該團隊正在與十多家化學(xué)和制藥公司合作，以改進(jìn)其分子預測算法。一些公司已將該軟件投入使用，默克制藥公司計算和結構化學(xué)助理副總裁胡安·阿爾瓦雷斯表示，康利的機器學(xué)習算法是公司向內部研究人員提供的多種化學(xué)預測工具之一。

　　盡管每個(gè)小組都從不同角度探討化學(xué)的自動(dòng)化問(wèn)題，但他們殊途同歸。菲舍爾說(shuō)：“我們的目標不是取代化學(xué)家，而是為化學(xué)家提供工具，使他們能夠更好、更快地實(shí)施和應用化學(xué)方法，并使他們‘變身’為富有創(chuàng )造力的思想家。”