快人类2000年，中科大“AI化学家”登Nature子刊，可在火星环境下制造氧气

原文来源：学术头条

图片来源：由无界 AI生成

寻找火星上过去的生命迹象，并在火星上建造适宜生存的潜在居住地，是人类梦寐以求的目标。

而火星制氧，是人类移居火星前首先需要解决的难题之一。

尽管 NASA 此前已成功验证可以在火星本地制造出氧气——“毅力”号火星车搭载的制氧设备在 16 次制氧实验中共制造出 122 克氧气（相当于一只小狗呼吸 10 小时所需氧气量），但要想在火星上完成大规模制氧，依然面临着不少困难。

如今，人工智能（AI）或许可以帮助我们应对这一挑战。

由中国科学技术大学领衔的研究团队开发了一个机器人 AI 化学家，其可以从火星陨石中制造出催化剂，再测试其制氧性能，并不断重复这个过程，直到找出最好的催化剂，且无需人类干预。

此外，经研究人员证明，该催化剂可以在模拟的火星条件下运作。

实际上，从给定的元素清单中设计催化剂需要探索巨大的化学空间，这对传统的“试错”模式来说是一项艰巨的任务。例如，以 5 种不同的火星本地矿石为原料，根据 1% 间隔的整数百分比组合估算，有 3764376 种可能的配方，如果通过人类劳动来完成这一过程，要花费 2000 年。

相关研究论文以“Automated synthesis of oxygen-producing catalysts from Martian meteorites by a robotic AI chemist”为题，已发表在 Nature 子刊 Nature Synthesis上。

论文作者表示，AI 化学家代表了在火星上现场合成催化剂的一种有前景的技术，为制氧提供了概念验证，或可影响未来的载人火星任务。

不到 6 周，找出更好的配方

由于火箭推进剂和生命支持系统消耗大量氧气，供氧成为了在火星上进行人类活动的首要任务。

最近的水活动证据增加了通过太阳能驱动的电化学水氧化过程，在使用析氧反应（OER）催化剂的情况下，在火星上进行大规模氧气生产的可能性。

然而，要利用本地的火星原材料合成可用的 OER 催化剂，必须克服两个主要技术挑战。首先，合成系统必须是无人操作和自主导向的，因为遥远的天文距离阻碍了人类的实时远程指导；其次，它应该配备科学智能，从而通过 AI 算法高效识别最佳催化剂配方。

而 AI 机器人似乎是解决这两个挑战的唯一可行技术。这些机器人系统需要一个智能子系统，从而获取化学知识并形成预测性的物理模型。

该研究开发的 AI 化学家可以实现自动和自主合成，它不仅可以使用移动机器人和 14 个特定任务化学工作站进行化学合成、结构表征和性能测试的整个过程，而且可以通过强大的计算模块，结合机器学习（ML）算法和理论模型，分析机器人获得的实验数据和第一性原理模拟数据，为化学合成任务设计最佳配方。

为了简化火星上 AI 化学家的工作，研究提出了一个用于现场合成 OER 电催化剂的双层工作流程。外层包括机器人和各种“智能”化学工作站完成的 12 步自动实验和数据管理；内层包括智能计算“大脑”执行的九个连续的数字操作。

图｜由移动机器人、计算“大脑”、云服务器和 14 个特定任务工作站组成的 AI 化学家在火星现场设计和生产 OER 电催化剂的全方位系统的工作流程。

据论文描述，该 AI 化学家在高熵电催化剂的最优合成配方的发现上，相比传统的试错实验范式，提速了 5 个数量级。

另外，研究人员还设计了一种由 AI 化学家驱动的数据驱动协议，证明其在设计一个由 3764376 种组合中选择的 6 种金属元素的 OER 催化剂方面，优于传统的试错协议。

据论文描述，在 6 周内，AI 化学家利用 ML 和贝叶斯优化算法，从近 30000 个理论数据集和 243 个实验数据集中学习，建立了一个预测模型，该模型提供了一个很有希望的 OER 催化剂配方和最合适的合成条件。

火星制氧，AI 或是“催化剂”