Исследователи используют машинное обучение для ускорения химических открытий
08-05-2019 Мир Гальваники 24

Бруклин, Нью-Йорк – Алгоритмы машинного обучения могут предсказывать колебания курсов ценных бумаг на бирже, управлять сложными производственными процессами, обеспечивать навигацию роботов и автономных транспортных средств и многое другое. В настоящее время исследователи из Инженерной школы Тандон при Нью-Йоркском университете работают над новыми возможностями в области искусственного интеллекта, объединяя искусственные нейронные сети с ИК-тепловидением для регулировки и интерпретации химических реакций с точностью и скоростью, во много раз превосходящими традиционные методы. Инновация заключается в том, что данная технология была разработана и испытана на новейших микрореакторах, позволяющих совершать химические открытия быстро и с меньшим количеством вредных для окружающей среды отходов по сравнению со стандартными крупномасштабными реакциями.

"Данная система может сократить процесс принятия решений относительно определенных химических производственных процессов с года до нескольких недель, избавляя от тонн химических отходов и потребления энергии в процессе", - говорит Райан Хартман, доцент кафедры химических и биомолекулярных технологий школы Тандон и ведущий автор статьи о данном методе в журнале Computers & Chemical Engineering.

В прошлом году Хартман представил новый класс миниатюрных химических реакторов, в которых реакции, традиционно проходящие в крупных реакторах вместимостью до 100 литров химических веществ, выполняются в микромасштабе с использованием всего нескольких микролитров жидкости - размер небольших капель. Такие микрофлюидные реакторы полезны при анализе катализаторов для создания или изучения соединений и исследования взаимодействий при разработке лекарственных средств; предполагается, что они сократят отходы, ускорят инновации и повысят безопасность химических исследований.

Хартман и его команда увеличили функциональность данных реакторов, объединив их с двумя дополнительными технологиями: инфракрасной термографией, методом формирования изображения, при котором улавливается тепловая карта с отображением изменений тепла в ходе химической реакции, и контролируемым машинным обучением, областью искусственного интеллекта, связанной с использованием алгоритма для интерпретации данных на основе вводных параметров, задаваемых исследователями, проводящими эксперименты.

Вместе эти технологии позволяют исследованиям наблюдать за изменениями тепловой энергии в ходе химических реакций (они обозначаются цветом на тепловом изображении) и быстро интерпретировать данные изменения. Благодаря бесконтактному характеру инфракрасной термографии, данный метод можно использовать даже для реакций, проходящих при экстремальных температурах или в сложнейших условиях, например, в биореакторе, требующем стерильности.

Исследовательская группа впервые обучает искусственные нейронные сети контролю и интерпретации инфракрасных тепловых изображений микрофлюидных устройств с термоэлектрическим охлаждением. Потенциальное влияние на инновации и экологическую безопасность огромно.

Крупные химические компании могут испытывать сотни катализаторов, создавая новые полимеры, и каждая реакция требует более сотни литров химических веществ и 24 часа работы или более.

Испытания такого количества катализаторов с помощью существующих лабораторных процессов может занять год. Подход Хартмана позволяет выполнить весь процесс за несколько недель, с соответствующим снижением отходов и потребляемой энергии. По оценкам Хартмана, одна промышленная вытяжка, применяемая для регулировки дыма в ходе крупномасштабных химических испытаний, потребляет в год столько же энергии, сколько и средний дом в США.

Помимо Хартмана, в группу исследователей входит аспирант школы Тандон Бенджамин Рицкин и 18-летняя Карина Попович, ученица Бруклинской средней школы, которая пришла в лабораторию Хартмана в рамках программы Национального научного фонда InspirED, предоставляющей одаренным ученикам средних и старших классов возможность написать свои дипломные работы по химическим технологиям в лаборатории Хартмана (Flow Chemistry with Microsystems Laboratory).

Национальный научных фонд также выдал грант на исследования группы и позволил студентам создать в лаборатории первый в мире микрореактор с искусственным интеллектом.

Статья "Искусственные нейтронные сети, контролирующие микрофлюидные устройства с термоэлектрическим охлаждением с помощью машинного зрения на основе инфракрасной термографии" доступна на сайте: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0098135418308184?via%3Dihub