AI bakom ChatGPT är redo att göra kemi

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

The AI Behind ChatGPT Is Ready to Do Chemistry PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Med sin rad av glänsande kammare sammankopplade med snirkliga slangar, ser den AI-drivna installationen mer ut som ett futuristiskt bryggeri än ett kemilab.

Men när systemet får en uppmaning från sin mänskliga operatör – "gör aspirin" – går systemet till handling som ett väloljat team av kemister. En AI tar kommandot och letar igenom webben för att optimera ett "recept" för medicinen. En annan AI översätter resultaten till kod, och en tredje styr robotarmar för att utföra experimentet.

Systemet, kallad Coscientist, är den senaste i en strävan att automatisera kemi med stora språkmodeller. Typen av algoritm bakom populära ChatGPT, stora språkmodeller har tagit världen med storm med sin förmåga att förstå språk, ljud och bildingångar, samtidigt som de delar ut användbara – om inte alltid korrekta – svar.

AI gör redan ett stänk i labbet. Från att modellera proteinstrukturer – lösningen på ett halvt decennium långt gåta – till jaktmönster i genetiska data och att ”hallucinera” nya kemiska läkemedel som t.ex. antibiotika, är tekniken inställd på att förändra vetenskapen.

Coscientist är en av de första i sitt slag. Utvecklad av Dr. Gabe Gomes och kollegor vid Carnegie Mellon University, lär den sig självständigt recept för kemiska reaktioner och designar labbprocedurer för att göra dem på bara några minuter.

Som ett bevis på konceptet utlöste end-to-end-systemet en komplex kemisk reaktion som vann 2010 års Nobelpris i kemi för dess avgörande roll i läkemedelsutveckling.

"Detta är första gången som en icke-organisk intelligens planerade, designade och utförde denna komplexa reaktion som uppfanns av människor." sade Gomes.

En egenhet med systemet är dess modularitet. Genom att dela upp kemiuppgifter beter sig Coscientist som ett team av kemister som arbetar tillsammans för att hitta en lösning, vilket påskyndar hela processen för upptäckt av läkemedel.

Coscientist tar "visionen om självkörande laboratorier ett steg närmare verkligheten," skrev Ana Laura Dias och Dr Tiago Rodrigues vid universitetet i Lissabon, som inte var inblandade i arbetet.

Breaking Bad

Kemi är ungefär som att fullända ett recept.

Det börjar med ett mål: Gör en kemikalie med minst avfall. Precis som kockar surfar på nätet efter receptidéer, gräver kemister i publicerad litteratur och utformar ett protokoll.

Det är en tråkig process. Utmanas med att syntetisera en ny kemikalie, kemister tillbringar timmar med att söka i databaser med liknande molekyler och reaktioner. De behöver flera omgångar av forskning, experiment och revision innan de får den önskade molekylen med minimalt avfall.

"Kemister har därför länge strävat efter att utveckla automatiserade system för att underlätta deras arbete", skrev Dias och Rodrigues.

Ett stort steg är att injicera olika typer av kemikalier i exakta mängder och perfekta tider i flera "kammare" så att separata reaktioner kan äga rum. Normalt görs detta för hand, men nu kan prisvärda robotar enkelt programmeras för att skapa nya kemiska interaktioner. De är dock inte perfekta. De flesta kan bara utföra en reaktion.

"Dessa begränsningar har frustrerat drömmen" för autonoma robotkemister, skrev Dias och Rodrigues.

Det är här OpenAI:s GPT-4, algoritmen bakom ChatGPT, kommer in.

Hej, Chemical World

Jämför en rad stora språkmodeller, som GPT-4, Claudeoch Falcon, fann teamet att Coscientist kunde generera detaljerade "recept" för att göra kemikalierna med hög avkastning. Den nya studien är en trestegsprocess, som sammanför flera finjusterade instanser av GPT-4 till en automatiserad kemist.

Den första är AI-bibliotekarien, som lär sig från en mängd olika onlinekällor. När teamet spårade sina preferenser fann de att AI ägnade mest tid åt att besöka litteratur från topp kemiska tidskrifter. Denna insikt är värdefull. Ofta beskrivs som en "svart låda", stora språkmodeller förklarar inte alltid hur de beräknar sina resultat. Coscientist, å andra sidan, lägger ut sina resonemang som en kemist som skriver anteckningar i en labbbok, så dess arbete är lättare att återskapa.

Den andra AI i Coscientist "läser" användarmanualer för robotarmar som dispenserar kemiska reaktanter - som att läsa en broschyr om hur man arbetar med en ny gräsklippare, AI:n förbrukar kunskapen för att "förstå" dess instruktioner.

Slutligen driver den tredje AI en robotarm för att syntetisera kemikalier. Den har också ett inbyggt "professorläge", som analyserar vilka reaktioner som fungerar – och vilka som inte gör det – för att återkoppla till systemet för ytterligare finjustering.

En Nobelinsats

I ett första test agerade Coscientist som en sorts bartender.

Laddad med flera färgade vätskor, styrde AI robotarmen för att försiktigt spraya varje färg i en linje inuti ett rutnät med 96 brunnar. Det här är som att försöka göra flerfärgade isbitar i en isbricka utan att spilla. Det fungerade mest. Med ett enkelt kommando "rita en blå diagonal" kunde Coscientist följa instruktionerna (med lite mänsklig hjälp).

Teamet ökade svårigheten och utmanade sedan systemet att syntetisera sju storsäljande läkemedel, inklusive vanliga smärtstillande medel som acetylsalicylsyra, paracetamol - den aktiva ingrediensen i Tylenol - och ibuprofen.

Coscientist beräknade hur mycket av varje ingrediens som behövdes för varje robotarm och blandade dem med optimal hastighet. AI:n kämpade första gången, men med övning lärde den sig när robotarmarna överhettades eller när kemikalier kokade över. Så småningom, som en erfaren kock, hittade AI ett perfekt recept för den önskade produkten.

Teamet bad också Coscientist att optimera en rad kemiska reaktioner för att öka utbytet - en notoriskt svår kemiutmaning. Med bara 10 exempel fungerade systemet bättre än en etablerad maskininlärningsmetod. Coscientist kämpade när dess GPT-komponenter inte hade tillräckligt med exempel, men det lärde sig snabbt. Efter varje iteration skaffade den "kunskap" och anpassade sin strategi för att planera nästa steg över tid.

För nu är Coscientist lite som en ny kemistudent. Den kan läsa och analysera aktuella publikationer, generera idéer och testa dem. Men den spyr också ut nonsens ibland, en undergång som plågar de flesta stora språkmodeller. Det är därför nödvändigt för kemister att använda deras intuition och kontrollera resultaten. Verkliga kemiska problem är också mycket mer komplexa än de som tas upp i studien, särskilt inom biologin.

Med mer utveckling ser teamet för sig Coscientist som en hjälpare. Den kan snabbt testa en rad kemiska recept, och kemister kan få en god natts sömn när robotsystemet tar slut.

"Vi kan ha något som kan köras autonomt och försöka upptäcka nya fenomen, nya reaktioner, nya idéer," sa Gomes.

Image Credit: Louis Reed / Unsplash