Advanced Science | 深圳先進(jìn)院開發(fā)新材料AI中試平臺(tái)"AP-LAB" 加速磁性微球產(chǎn)品創(chuàng)制
人工智能驅(qū)動(dòng)的新材料創(chuàng)制(AI for Materials)是當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際科研前沿。近年來,AI在新材料的設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)等方面已取得不錯(cuò)進(jìn)展,但如何利用AI加速材料產(chǎn)品的開發(fā),仍存在著巨大挑戰(zhàn)。這一科研-產(chǎn)業(yè)間的巨大鴻溝主要是由于新材料產(chǎn)品在研發(fā)階段與中試生產(chǎn)階段所面臨的巨大技術(shù)差異導(dǎo)致的。如何通過材料人工智能技術(shù)創(chuàng)新,突破實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)線之間在中試階段面臨的“死亡谷”,是AI推動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料人工智能研究中心喻學(xué)鋒、周文華團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套命名為"AP-LAB(AI-driven autonomous pilot-scale laboratory workstation)"的新材料AI中試平臺(tái)。依托這一平臺(tái),團(tuán)隊(duì)與深圳太古宙生物科技有限公司(太古宙)合作,快速實(shí)現(xiàn)了磁性微球這一 “卡脖子”生物分離材料的中試開發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用,并創(chuàng)新了多種生物標(biāo)志物分離技術(shù)體系。團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作以"AP-Lab: An AI-Driven Autonomous Pilot-Scale Platform Bridging Materials Discovery and Industrial Manufacturing"為題在Wiley旗下旗艦期刊Advanced Science上發(fā)表。喻學(xué)鋒研究員和周文華研究員為論文通訊作者,王占龍副研究員、馬志芬工程師和宋文星高工(太古宙)為論文共同第一作者。
在該工作中,"AP-LAB"由用戶交互、優(yōu)化方案生成、自主合成測(cè)試和數(shù)據(jù)管理4大系統(tǒng)組成。其中,自主合成測(cè)試系統(tǒng)主要由團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)開發(fā),包含高靈活機(jī)械臂、高精度粉液進(jìn)樣模組、溶液濃度自主定量模組、溶液清洗分離模組、高通量液相反應(yīng)合成模組等9大高性能功能模組。在12小時(shí)內(nèi),"AP-LAB"可在微球合成條件、測(cè)試試劑配方等十維參數(shù)空間展開高效探索,并自主執(zhí)行高精度、高一致性實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)12通道10-100克 (中試規(guī)模) 磁性微球的差異化高通量制備和性能測(cè)試。同時(shí),通過集成機(jī)器學(xué)習(xí)模型庫與本地部署的開源大模型 (Llama 3.1-8B),對(duì)實(shí)驗(yàn)條件與測(cè)試性能指標(biāo)等高通量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸建模,并基于模型庫最優(yōu)算法及大模型生成48組可執(zhí)行優(yōu)化迭代方案,進(jìn)而快速迭代優(yōu)化,實(shí)現(xiàn) “數(shù)據(jù)-模型-執(zhí)行-再數(shù)據(jù)” 的閉環(huán)優(yōu)化體系。依托"AP-LAB",團(tuán)隊(duì)在三周內(nèi)實(shí)現(xiàn)三款性能優(yōu)異的呼吸道疾病病毒核酸提取磁性微球及試劑體系的中試規(guī)模開發(fā),并在2個(gè)月內(nèi)與合作企業(yè)完成百萬人份/天的規(guī)?;a(chǎn)線設(shè)計(jì)搭建,研發(fā)效率相較于人工大幅提升10倍。
AP-LAB高效迭代優(yōu)化的核心在于其私有的、高度一致性的工業(yè)數(shù)據(jù)集 (proprietary industrial datasets) 和以應(yīng)用為導(dǎo)向的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) (application-oriented performance benchmarks)。一方面,團(tuán)隊(duì)通過與企業(yè)合作,充分利用企業(yè)中試產(chǎn)品開發(fā)過程中和AP-LAB中試平臺(tái)獲取的大量實(shí)際數(shù)據(jù)開展模型訓(xùn)練、學(xué)習(xí)和權(quán)重分析,并基于本地化部署的機(jī)器學(xué)習(xí)模型庫和大模型提出優(yōu)化方案,并依托高精度自主實(shí)驗(yàn)合成及測(cè)試,加速磁性微球產(chǎn)品性能迭代與提升。另一方面,以實(shí)際應(yīng)用性能為唯一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),在過程精準(zhǔn)控制的前提下,可有效規(guī)避材料制備過程中形貌、粒徑、表面電荷等“低維”參數(shù)的影響,從而降低分析計(jì)算量,優(yōu)化迭代方向,極大地加速材料產(chǎn)品的性能提升。
團(tuán)隊(duì)相關(guān)核心專利“基于人工智能算法的磁性微納材料高通量制備方法及系統(tǒng)”已獲得授權(quán)。這一技術(shù)體系已成功部署于合作企業(yè)太古宙,為多類型基于磁性微球的生物分離材料及技術(shù)體系開發(fā)奠定了平臺(tái)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,合作雙方共建了千萬級(jí)“微納生物傳感”產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心,多款磁性微球產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了規(guī)?;瘧?yīng)用突破。代表性地,在蛋白類生物標(biāo)志物的分離和檢測(cè)中,團(tuán)隊(duì)針對(duì)免疫檢測(cè)領(lǐng)域源頭“卡脖子”材料的應(yīng)用需求,依托"AP-LAB"中試平臺(tái)開發(fā)了應(yīng)用于化學(xué)發(fā)光檢測(cè)的1.5 μm和2.5 μm的Tosyl磁性微球及其抗體包被/發(fā)光檢測(cè)試劑的規(guī)?;苽涔に嚒O嚓P(guān)工藝已成功部署至太古宙,能滿足500g/周的高穩(wěn)定性磁性微球制備。在合作企業(yè)的橫向測(cè)評(píng)中,相關(guān)產(chǎn)品在多類型生物標(biāo)志物化學(xué)發(fā)光檢測(cè)中的信號(hào)值和信噪比均達(dá)到進(jìn)口壟斷競(jìng)品的90~120%。
"AP-LAB"AI中試平臺(tái)的成功應(yīng)用,是將AI驅(qū)動(dòng)的材料創(chuàng)制范式拓展至產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的一次重要嘗試。相關(guān)研究首次展現(xiàn)了企業(yè)實(shí)際數(shù)據(jù)和應(yīng)用導(dǎo)向評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新材料中試產(chǎn)品開發(fā)的重要價(jià)值。圍繞AP-LAB平臺(tái)開發(fā)的基于本地化數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)模型庫/大模型優(yōu)化策略、高精度自主實(shí)驗(yàn)和高通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),可拓展至各種類型新材料產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用中,為新材料產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供AI驅(qū)動(dòng)的智能化解決方案。

圖1. AP-LAB材料創(chuàng)制中試平臺(tái)的結(jié)構(gòu),及其與人工優(yōu)化的效率優(yōu)勢(shì)比較

圖2. AP-LAB開發(fā)的化學(xué)發(fā)光磁性微球形貌及其與進(jìn)口競(jìng)品在多類型化學(xué)發(fā)光檢測(cè)中的性能比較
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