El "químico artificial" combina la IA, la robótica para llevar a cabo I+D autónomo

Los investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y de la Universidad de Buffalo han desarrollado una tecnología llamada "Química Artificial", que incorpora la inteligencia artificial (IA) y un sistema automatizado para realizar reacciones químicas para acelerar la investigación y la fabricación de materiales comercialmente deseables.

En los experimentos de prueba de concepto, los investigadores demostraron que el Químico Artificial puede identificar y producir los mejores puntos cuánticos posibles para cualquier color en 15 minutos o menos. Los puntos cuánticos son nanocristales semiconductores coloidales, que se utilizan en aplicaciones como las pantallas LED.

Sin embargo, los investigadores se apresuran a señalar que el Químico Artificial puede identificar el mejor material para cumplir con cualquier conjunto de propiedades mensurables - no sólo puntos cuánticos.

"El Químico Artificial es un sistema verdaderamente autónomo que puede navegar inteligentemente a través del universo químico", dice Milad Abolhasani, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en el Estado de Carolina del Norte. "Actualmente, el Químico Artificial está diseñado para materiales procesados en solución - lo que significa que funciona para materiales que pueden ser hechos usando precursores químicos líquidos. Los materiales procesados en solución incluyen materiales de alto valor como puntos cuánticos, nanopartículas de óxido metálico/metal, marcos orgánicos metálicos (MOFs), etc.

"El Químico Artificial" es similar a un coche que se conduce por sí mismo, pero un coche que se conduce por sí mismo tiene al menos un número finito de rutas a elegir para llegar a su destino preseleccionado. Con el Químico Artificial, le das un conjunto de parámetros deseados, que son las propiedades que quieres que tenga el material final. El Químico Artificial tiene que averiguar todo lo demás, como cuáles serán los precursores químicos y cuál será la ruta sintética, mientras minimiza el consumo de esos precursores químicos.

"El resultado final es una tecnología de desarrollo de materiales totalmente autónoma que no sólo le ayuda a encontrar la solución ideal -un material procesado más rápidamente que cualquier otra técnica actualmente en uso- sino que lo hace utilizando cantidades minúsculas de precursores químicos. Eso reduce significativamente los residuos y hace que el proceso de desarrollo de materiales sea mucho menos costoso".

El Químico Artificial tiene tanto un "cuerpo" para realizar experimentos y sentir los resultados de los mismos, como un "cerebro" para registrar esos datos y usarlos para determinar cuál será el próximo experimento.

Para su prueba de concepto, el cuerpo del Químico Artificial incorporó la Fábrica de Nanocristales automatizada y las plataformas de síntesis de flujo NanoRobo desarrolladas en el laboratorio de Abolhasani. La plataforma del Químico Artificial ha demostrado que puede realizar 500 experimentos de síntesis de puntos cuánticos por día, aunque Abolhasani estima que podría realizar hasta 1.000.

El cerebro del Químico Artificial es un programa de IA que caracteriza los materiales que están siendo sintetizados por el cuerpo y utiliza esos datos para tomar decisiones autónomas sobre cuál será el próximo conjunto de condiciones experimentales. Basa sus decisiones en lo que determina que lo moverá más eficientemente hacia la mejor composición de material con las propiedades y métricas de rendimiento deseadas.

"Tratamos de imitar el proceso que los humanos utilizan al tomar decisiones, pero de manera más eficiente", dice Abolhasani.

Por ejemplo, el Químico Artificial permite la "transferencia de conocimiento", lo que significa que almacena los datos generados de cada solicitud que recibe, acelerando el proceso de identificación del siguiente material candidato que se le encomienda. En otras palabras, el Químico Artificial se vuelve más inteligente y rápido con el tiempo en la identificación del material correcto.

Para su prueba de concepto, los investigadores probaron nueve políticas diferentes de cómo la IA utiliza los datos para decidir cuál será el próximo experimento. Luego hicieron una serie de solicitudes, cada vez pidiendo al químico artificial que identificara un material de puntos cuánticos que se ajustara mejor a tres parámetros de salida diferentes.

"Encontramos una política que, incluso sin conocimiento previo, podría identificar el mejor punto cuántico posible dentro de 25 experimentos, o alrededor de una hora y media", dice Abolhasani. "Pero una vez que el Químico Artificial tenía conocimiento previo - lo que significa que ya había manejado una o más solicitudes de material objetivo - podía identificar el material óptimo para las nuevas propiedades en 10 a 15 minutos.

"Encontramos que el Químico Artificial también podía identificar rápidamente los límites de las propiedades de los materiales para un determinado conjunto de precursores químicos iniciales, de modo que los químicos y los científicos de materiales no necesitan perder su tiempo en la exploración de las diferentes condiciones de síntesis.

"Creo que la I+D de materiales autónomos, posibilitada por la Química Artificial, puede remodelar el futuro del desarrollo y la fabricación de materiales", dice Abolhasani. "Ahora estoy buscando socios que nos ayuden a transferir la técnica del laboratorio al sector industrial."