人工智能想要穷举化学反应 探索地球生命如何起源

克罗宁常常说：“如果我要求有机化学家随便给我做出一个新的分子，他们是无法做到的。这并不是因为他们愚蠢，而是因为这是一个愚蠢的请求。他们会明确问我什么类型的分子和什么规格。这可能需要一周甚至于十年时间，这完全是在浪费他们的时间。”

克罗宁意识到，即使这对人类来说是一个困难的问题，但对于机器学习机器人来说，完成这个任务可能并不困难。“我们可以让一个机器人在没有任何经验的情况下开始混合随机化学品，看看会发生什么？换句话说，就是各种混合并观察结果？”克罗宁说道。所以他决定开发一个。

开发这样一个机器人花了几年时间，第一个结果发表在《自然》杂志上。机器人由机器学习算法控制，能够同时运行六个实验，并利用质谱仪，核磁共振仪和红外光谱仪实时评估反应过程。“我的灵感来自无人机如何使用低成本的传感器进行飞行，”克罗宁说，“因此，我为化学机器人安装了这些传感器。”然后，一种算法对化学反应进行分类。

克罗宁团队的一名化学家首先使用亲核试剂和亲电试剂来训练机器人识别反应。这都是易于相互反应的化学试剂。对于机器人来说通常是一个挑战。“化学家们希望赋予机器人他们的想法，”克罗宁说，“但我很固执地不想这样做。我希望看到当我消除偏见时会发生什么，因为我现在很确定我们将发现化学家无法想象的全新反应。”

在论文中，克罗宁和他的团队报告说，没有任何化学数据会告诉机器人哪种化学组合更具反应性，而在初始训练之后，机器人开始预测大约1,000种化学反应的反应性，精确度为86%。“机器人允许我们做的事情基本上是让这些最具反应性的发现过程快了几倍，”克罗宁说。“如果说这个机器人到底带给我们什么，我们所做的就是将化学家的工作量减少90%。”

这些预测后来被一位化学家证实，而让克罗宁感到惊讶的是，这也导致了四种新化学反应的发现。“我问我的同事，他是否对这些发现有把握，因为我对有机化学的了解非常贫乏，”克罗宁说，“我之所以没有什么偏见的原因之一就是因为我在有机化学领域是个白痴。”在未来，克罗宁希望举办一场类似于加里·卡斯帕罗夫(Gary Kasparov)与深蓝的国际象棋比赛比赛，但是他的机器人将与世界上最好的有机化学家相对抗。

克罗宁的机器人是一个非常不同的原始项目的间接结果：对生命起源的调查。换句话说，第一个可以组装，复制和进化的分子是如何从无机物质中自发产生的。“我问过这样的问题：第一种可自我复制的有机分子是什么，第一种蛋白质是什么？现在回答这些问题非常困难，所以我需要开发一个化学搜索引擎。”在获得第一批结果后，他意识到机器人可以用于更实际的用途，比如说发现新的药物和化学物质。

克罗宁认为，在某些方面，升级版的人工智能机器人要比DeepMind开发的人工智能算法更好。“并不是说DeepMind不好，而是说它是纯粹的算法和模拟。这是一个非常不同的问题。我们的机器人可以在具体操作中找到新的东西。我们有这样一个可以实际展示人类观察和创造力的机器人，因为它找到了我们没想到的新东西，“他说。新版本的机器人配备了额外的传感器——如酶分析和光探测器——有助于在特定应用中进行化学发现。

未来，克罗宁希望他的发明能够成为一个真正的数字化学家：一个不仅能够发现新的化学物质，优化分子并使其变得更纯净，并且可以获取分子代码、根据需要生产化学品。当然，这些应用从理论上讲是巨大的，它们能让我们发现和生产从基因定制药物到不会污染环境的新型塑料在内的所有产品。

与预期相反，这种特殊的人工智能机器人并不会让有机化学家失业。“有很多人夸大人工智能是一种有知觉的东西，”克罗宁说，“事实上，人工智能只不过是一种回归算法。训练来自化学家。没有化学家，没有人工智能。“

相反，克罗宁认为，机器人不仅可以节省不必要的劳动力，还可以确保有机化学家能够有更多的时间进行富有成效的研究。例如，克罗宁和他的团队已经开始编制一个失败反应的 数据库 ，这将有助于让化学家不再需要重复已经证明不起作用的实验，从而节省更多时间。“从历史上看，我们在有机化学方面没有做任何事，”他说，“我们刚刚开始接触到皮毛。”他说在可能的1060种化合物中，科学家只清楚其中的大约1亿个分子（分子量低于500）。

“这意味着我们在超过两百年的时间里制造了不到0.00000000000000000000000000000000000000000000001（10^-52）%的分子。”克罗宁在给《自然》杂志的信中写道， “即使在世界各地工作的所有20万个化学家都能够平均每天探索三种反应条件，并且每位化学家全年都在昼夜不停地工作，所以最多可以探索的新化学反应也就是每年2亿个，其中只有一小部分会产生新的分子。事实上，如果我们假设地球上的所有人都成为有机化学家并在宇宙的整个生命周期中全程探索化学反应，那么可以合成的化合物不到1030种。

与此同时，克罗宁在他关于生命起源的初步研究方面也取得了进展。在他的实验室中，其中一个机器人正在使用简单的分子进行化学反应，试图自发地制造更复杂的分子。从理论上讲，这些分子将表现出克罗宁所谓的“不合理的复杂性”——“会在没有像我这样的生活系统干预的情况下，自然产生更复杂的分子”。

“在生活中没有制造者，没有创造论者，只有世界及化学，”克罗宁说。“因此，在我们的机器人中，之所以说我们作弊是因为我们放入了一些复杂的化学物质，我们知道这些化学物质会起作用并给我们带来有趣的分子。我们现在正在做的是让这些分子变得越来越简单，看看我们如何能够实现复杂化。”

克罗宁将他为化学所做的事情等同于希格斯玻色子在粒子物理学上的影响。“我正在为生命的起源建造一个大型强子对撞机，”他说。这可能会给他的计算机专家团队带来惊喜。“我没有马上告诉他们这是该项目的目标，”克罗宁说。“想象一下，告诉一个博士后，他们将解决生命问题的起源问题，我们将建造一个可以制造有机分子的机器人。他们会疯掉的！”