Advanced Science | 深圳先進院開發(fā)新材料AI中試平臺"AP-LAB" 加速磁性微球產品創(chuàng)制
人工智能驅動的新材料創(chuàng)制(AI for Materials)是當前競爭激烈的國際科研前沿。近年來,AI在新材料的設計、預測等方面已取得不錯進展,但如何利用AI加速材料產品的開發(fā),仍存在著巨大挑戰(zhàn)。這一科研-產業(yè)間的巨大鴻溝主要是由于新材料產品在研發(fā)階段與中試生產階段所面臨的巨大技術差異導致的。如何通過材料人工智能技術創(chuàng)新,突破實驗室與生產線之間在中試階段面臨的“死亡谷”,是AI推動新材料產業(yè)高質量發(fā)展的關鍵。
近日,中國科學院深圳先進技術研究院材料人工智能研究中心喻學鋒、周文華團隊開發(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。依托這一平臺,團隊與深圳太古宙生物科技有限公司(太古宙)合作,快速實現(xiàn)了磁性微球這一 “卡脖子”生物分離材料的中試開發(fā)和產業(yè)應用,并創(chuàng)新了多種生物標志物分離技術體系。團隊相關工作以"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、自主合成測試和數(shù)據(jù)管理4大系統(tǒng)組成。其中,自主合成測試系統(tǒng)主要由團隊自主設計開發(fā),包含高靈活機械臂、高精度粉液進樣模組、溶液濃度自主定量模組、溶液清洗分離模組、高通量液相反應合成模組等9大高性能功能模組。在12小時內,"AP-LAB"可在微球合成條件、測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、高一致性實驗,實現(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試。同時,通過集成機器學習模型庫與本地部署的開源大模型 (Llama 3.1-8B),對實驗條件與測試性能指標等高通量數(shù)據(jù)進行回歸建模,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,進而快速迭代優(yōu)化,實現(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",團隊在三周內實現(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個月內與合作企業(yè)完成百萬人份/天的規(guī)?;a線設計搭建,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) 和以應用為導向的評價標準 (application-oriented performance benchmarks)。一方面,團隊通過與企業(yè)合作,充分利用企業(yè)中試產品開發(fā)過程中和AP-LAB中試平臺獲取的大量實際數(shù)據(jù)開展模型訓練、學習和權重分析,并基于本地化部署的機器學習模型庫和大模型提出優(yōu)化方案,并依托高精度自主實驗合成及測試,加速磁性微球產品性能迭代與提升。另一方面,以實際應用性能為唯一評價標準,在過程精準控制的前提下,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,從而降低分析計算量,優(yōu)化迭代方向,極大地加速材料產品的性能提升。
團隊相關核心專利“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。這一技術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體系開發(fā)奠定了平臺基礎。在此基礎上,合作雙方共建了千萬級“微納生物傳感”產業(yè)創(chuàng)新中心,多款磁性微球產品已實現(xiàn)了規(guī)?;瘧猛黄?。代表性地,在蛋白類生物標志物的分離和檢測中,團隊針對免疫檢測領域源頭“卡脖子”材料的應用需求,依托"AP-LAB"中試平臺開發(fā)了應用于化學發(fā)光檢測的1.5 μm和2.5 μm的Tosyl磁性微球及其抗體包被/發(fā)光檢測試劑的規(guī)?;苽涔に嚒O嚓P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)的橫向測評中,相關產品在多類型生物標志物化學發(fā)光檢測中的信號值和信噪比均達到進口壟斷競品的90~120%。
"AP-LAB"AI中試平臺的成功應用,是將AI驅動的材料創(chuàng)制范式拓展至產業(yè)應用的一次重要嘗試。相關研究首次展現(xiàn)了企業(yè)實際數(shù)據(jù)和應用導向評價標準對新材料中試產品開發(fā)的重要價值。圍繞AP-LAB平臺開發(fā)的基于本地化數(shù)據(jù)、機器學習模型庫/大模型優(yōu)化策略、高精度自主實驗和高通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),可拓展至各種類型新材料產品的開發(fā)和應用中,為新材料產業(yè)的高質量發(fā)展提供AI驅動的智能化解決方案。

圖1. AP-LAB材料創(chuàng)制中試平臺的結構,及其與人工優(yōu)化的效率優(yōu)勢比較

圖2. AP-LAB開發(fā)的化學發(fā)光磁性微球形貌及其與進口競品在多類型化學發(fā)光檢測中的性能比較
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