Autonomer Syntheseroboter nutzt KI zur Beschleunigung der chemischen Forschung

Beeindruckender Erfindungsreichtum

30.01.2024

Symbolbild

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Chemiker der Universität Amsterdam (UvA) haben einen autonomen chemischen Syntheseroboter mit einer integrierten KI-gesteuerten maschinellen Lerneinheit entwickelt. Das "RoboChem" getaufte Tischgerät kann einen menschlichen Chemiker in puncto Geschwindigkeit und Genauigkeit übertreffen und zeichnet sich zudem durch ein hohes Maß an Einfallsreichtum aus. Als erstes Gerät seiner Art könnte es die chemische Entdeckung von Molekülen für pharmazeutische und viele andere Anwendungen erheblich beschleunigen. Die ersten Ergebnisse von RoboChem wurden am 25. Januar in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

RoboChem wurde von der Gruppe von Prof. Timothy Noël am Van 't Hoff-Institut für Molekularwissenschaften der UvA entwickelt. Ihre Arbeit zeigt, dass RoboChem ein präziser und zuverlässiger Chemiker ist, der eine Vielzahl von Reaktionen durchführen kann und dabei nur minimale Mengen an Abfall produziert. Das System arbeitet rund um die Uhr selbstständig und liefert schnell und unermüdlich Ergebnisse. Noël: "In einer Woche können wir die Synthese von etwa zehn bis zwanzig Molekülen optimieren. Ein Doktorand würde dafür mehrere Monate brauchen. Der Roboter liefert nicht nur die besten Reaktionsbedingungen, sondern auch die Einstellungen für das Scale-up. Das bedeutet, dass wir Mengen produzieren können, die beispielsweise für Lieferanten der pharmazeutischen Industrie direkt relevant sind.

Das 'Gehirn' von RoboChem

Das Fachwissen der Noël-Gruppe liegt in der Durchfluss-Chemie, einer neuartigen Art der Chemie, bei der ein System kleiner, flexibler Röhren Bechergläser, Kolben und andere herkömmliche chemische Geräte ersetzt. Bei RoboChem sammelt eine Roboternadel vorsichtig die Ausgangsstoffe ein und mischt sie in kleinen Volumina von etwas mehr als einem halben Milliliter zusammen. Diese fließen dann durch das Röhrensystem zum Reaktor. Dort löst das Licht von leistungsstarken LEDs die molekulare Umwandlung aus, indem es einen in der Reaktionsmischung enthaltenen Photokatalysator aktiviert. Der Strom fließt dann weiter zu einem automatischen NMR-Spektrometer, das die umgewandelten Moleküle identifiziert. Diese Daten werden in Echtzeit an den Computer weitergeleitet, der RoboChem steuert. Das ist das Gehirn von RoboChem", sagt Noël. Er verarbeitet die Informationen mit Hilfe künstlicher Intelligenz. Wir verwenden einen Algorithmus für maschinelles Lernen, der selbstständig entscheidet, welche Reaktionen durchgeführt werden sollen. Er strebt immer das optimale Ergebnis an und verfeinert ständig sein Verständnis für die Chemie.

Beeindruckender Erfindungsreichtum

Die Gruppe hat sich viel Mühe gegeben, die Ergebnisse von RoboChem zu untermauern. Alle Moleküle, die jetzt im Science-Artikel enthalten sind, wurden isoliert und manuell überprüft. Noël sagt, das System habe ihn mit seinem Einfallsreichtum beeindruckt: "Ich arbeite seit mehr als einem Jahrzehnt an der Photokatalyse. Dennoch hat RoboChem Ergebnisse gezeigt, die ich nicht hätte vorhersagen können. Zum Beispiel hat es Reaktionen identifiziert, die nur sehr wenig Licht benötigen. Manchmal musste ich mich am Kopf kratzen, um zu begreifen, was es getan hatte. Man fragt sich dann: Hätten wir das auch so gemacht? Im Nachhinein erkennt man die Logik von RoboChem. Aber ich bezweifle, dass wir selbst zu den gleichen Ergebnissen gekommen wären. Zumindest nicht so schnell.

Die Forscher nutzten RoboChem auch, um frühere Forschungsergebnisse zu replizieren, die in vier zufällig ausgewählten Artikeln veröffentlicht wurden. Anschließend untersuchten sie, ob Robochem die gleichen - oder bessere - Ergebnisse lieferte. In etwa 80 % der Fälle lieferte das System bessere Ergebnisse. In den anderen 20 % waren die Ergebnisse ähnlich", sagt Noël. Ich habe keinen Zweifel daran, dass ein KI-gestützter Ansatz für die chemische Forschung im weitesten Sinne von Nutzen sein wird.

Durchbrüche in der Chemie durch KI

Noël zufolge liegt die Relevanz von RoboChem und anderer "computergestützter" Chemie auch in der Generierung hochwertiger Daten, die dem künftigen Einsatz von KI zugute kommen werden. Bei der traditionellen chemischen Entdeckung werden nur einige wenige Moleküle gründlich erforscht. Die Ergebnisse werden dann auf scheinbar ähnliche Moleküle extrapoliert. RoboChem erzeugt einen vollständigen und umfassenden Datensatz, in dem alle relevanten Parameter für jedes einzelne Molekül enthalten sind. Das verschafft viel mehr Einblick.'

Ein weiteres Merkmal ist, dass das System auch "negative" Daten aufzeichnet. In der derzeitigen wissenschaftlichen Praxis spiegeln die meisten veröffentlichten Daten nur erfolgreiche Experimente wider. Auch ein fehlgeschlagenes Experiment liefert relevante Daten", sagt Noël. Diese sind aber nur in den handschriftlichen Labornotizen der Forscher zu finden. Diese werden nicht veröffentlicht und sind daher für die KI-gestützte Chemie nicht verfügbar. RoboChem wird auch das ändern. Ich habe keinen Zweifel daran, dass man diese Art von Robotern braucht, wenn man mit KI Durchbrüche in der Chemie erzielen will.

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Originalveröffentlichung

Aidan Slattery, Zhenghui Wen, Pauline Tenblad, Jesús Sanjosé-Orduna, Diego Pintossi, Tim den Hartog, Timothy Noël; "Automated self-optimization, intensification, and scale-up of photocatalysis in flow"; Science, Volume 383

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