(作者:Alessandro CurioniandKathryn Guarini)
IBM 的使命是幫助客戶改變世界的運作方式。IBM 的“面向未來五年五大創(chuàng)新趨勢”年度技術(shù)預(yù)測就是最好的例證。每年,我們都會根據(jù) IBM 研究院的全球?qū)嶒炇宜〉玫难芯砍晒透鼜V泛的行業(yè)趨勢,展示我們認為技術(shù)將在未來 5 年內(nèi)從根本上重塑企業(yè)和社會的五種方式。
本年度“未來五年五大創(chuàng)新趨勢”預(yù)測的重點是:加速發(fā)現(xiàn)新材料,實現(xiàn)未來可持續(xù)發(fā)展。為了響應(yīng)聯(lián)合國通過其可持續(xù)發(fā)展目標發(fā)起的全球行動號召,IBM 研究人員正在加速發(fā)現(xiàn)新材料,幫助解決重大世界性難題。具體來說,我們正在探索如何運用技術(shù)重塑材料設(shè)計流程,克服一系列挑戰(zhàn),例如促進人類健康、開發(fā)清潔能源以及支持可持續(xù)發(fā)展、氣候行動和負責任的生產(chǎn)。
我們相信,新材料或現(xiàn)有材料的新用途將有助于解決人類面臨的諸多全球性挑戰(zhàn):從負擔過重的大氣層中有效地捕獲二氧化碳,并安全地存儲起來,從而減輕氣候變化;尋找更可持續(xù)的農(nóng)作物種植方法,養(yǎng)活全球持續(xù)增長的人口,同時減少碳排放量;重新思考電池和能量存儲問題,防患于未然;開發(fā)更可持續(xù)的電子設(shè)備和更有效的抗病毒藥物。
盡管尚未實現(xiàn),但絕非異想天開。我們很快就可以開始邁出這一步。
我們需要改進材料設(shè)計方式,這個過程一直以來都很困難且復(fù)雜 — 主要原因在于,可能的分子組合的化學(xué)空間無比巨大。可能的組合比宇宙中的原子數(shù)量還要多。此外,材料的最終屬性不僅取決于構(gòu)成元素,還取決于使用的生產(chǎn)工藝,以及最終結(jié)構(gòu)。
發(fā)現(xiàn)一種具有特定屬性的新材料通常需要大約10年時間,平均耗資逾千萬乃至數(shù)億美元。我們希望借助先進技術(shù),將發(fā)現(xiàn)時間和成本降低 90%。這些技術(shù)包括人工智能 (AI);通過傳統(tǒng)經(jīng)典計算和新興量子計算實現(xiàn)的數(shù)據(jù)增強;通過開放式混合云實現(xiàn)的所謂生成模型(generative models )和實驗室自動化(laboratory automation)。
通過融合這些技術(shù),我們將能夠以全新的方式實現(xiàn)人類發(fā)現(xiàn)過程的現(xiàn)代化 — 擺脫巧合、運氣和機遇等偶然性因素,獲得有計劃的信心。
首先,人工智能將整合人類關(guān)于特定主題的所有知識,特定主題即為我們要解決的全球性挑戰(zhàn)。其次,超級計算機和量子模擬將填補人類的知識缺口。根據(jù)人工智能收集的歷史數(shù)據(jù),我們將創(chuàng)建模型,以生成有關(guān)應(yīng)對該挑戰(zhàn)所需的新材料的假設(shè)。最后,我們將借助云技術(shù),使這些材料的生產(chǎn)和測試過程實現(xiàn)自動化。IBM 在量子計算、人工智能、高性能計算和混合云領(lǐng)域取得了許多行業(yè)領(lǐng)先的工作成果,所有這些都將加速發(fā)現(xiàn)過程。
IBM 設(shè)計了一種加速材料發(fā)現(xiàn)的方法,其中人工智能是整個材料發(fā)現(xiàn)過程鏈的關(guān)鍵組件。其中包括 IBM 基于云的化學(xué)實驗室RoboRXN,在這里研究人員可以通過預(yù)測化學(xué)反應(yīng)結(jié)果來創(chuàng)造新材料。系統(tǒng)可以 24x7 全天候不間斷地合成材料,而且只需有限的人工操作。科學(xué)家只需向系統(tǒng)提供希望使用的分子,軟件中的人工智能就會列出分步方法和成分清單。
RoboRXN 采用的免費 AI 模型在兩年前推出,已經(jīng)為學(xué)生、教授和科學(xué)家完成了近 100 萬次反應(yīng)預(yù)測。自今年年初以來,世界各地的 IBM 科學(xué)家紛紛開始利用 RoboRXN 合成用于碳捕獲(carbon capture)、光阻劑(photoresists)和抗病毒藥物(antivirus)的材料。很快,將投產(chǎn)固氮材料(materials for nitrogen fixation)。
IBM RoboRXN 合成了新型冠狀病毒治療分子(左)和碳捕獲分子(右)。
例如,在紐約約克敦高地(Yorktown Heights)的研究人員能夠運行一種合成反應(yīng),再通過云將結(jié)果發(fā)送到位于 6,000 英里以外蘇黎世的 RoboRXN 實驗室,試圖生成用于捕獲二氧化碳的新材料的目標分子。RoboRXN 分析生成的分子,經(jīng)過一夜將其合成,隨后運送到 IBM 位于加州阿爾馬登(Almaden)的研究實驗室進行進一步分析。
目前,研究人員正在合成候選分子,用于測試 RoboRXN 的功能。IBM 的長期目標是從能夠預(yù)測新材料的人工智能驅(qū)動系統(tǒng)中獲取候選分子,并完全自主地進行合成,然后執(zhí)行測試。
試想一下,如果不只有一個 RoboRXN,而是有一大群的 RoboRXN 實驗室都通過云來接收世界各地的化學(xué)家和材料科學(xué)家的指令,那會怎樣。這樣不僅可以加速發(fā)現(xiàn)過程,還將大規(guī)模推動創(chuàng)意的產(chǎn)生。
這并不意味著 IBM 將涉足材料制造行業(yè)。我們的研究人員致力于開發(fā)可加速發(fā)現(xiàn)過程的流程,并幫助客戶和合作伙伴將其投入使用。IBM 過去的一項“未來五年五大創(chuàng)新趨勢”預(yù)測就提供了如何實現(xiàn)這些目標的有效藍圖。
2019 年,IBM 預(yù)測在未來五年內(nèi),諸如 VolCat 之類的塑料回收技術(shù)進步可能在全球范圍得到采用,幫助解決塑料垃圾泛濫這一世界性難題。VolCat 使用良性有機催化劑(benign organic catalyst),選擇性分解最常見的家用塑料PET(polyethylene terephthalate ),使其恢復(fù)為單體成分(monomer constituents)。經(jīng)過提純后,可輕松將單體重新聚合成新的 PET。
IBM 研究院打算啟動其計劃的下一個階段,推動 VolCat 塑料回收流程走上商業(yè)化模式。我們打算與行業(yè)合作伙伴,共同設(shè)計、建造和運營試點工廠,證實 VolCat 流程的可擴展性和經(jīng)濟效益。一旦成功,其研究成果將推廣到世界各地的制造工廠,制造商將可以使用提純后的單體制造塑料、纖維或薄膜,不再需要利用石油化工產(chǎn)品制造新的塑料。
IBM 的“未來五年五大創(chuàng)新趨勢”預(yù)測展示了采用科學(xué)方法尋找新方法和新解決方案來應(yīng)對世界挑戰(zhàn)的可能性。當今世界對科學(xué)的渴求比任何時候更加迫切,借助科學(xué),我們可以從容應(yīng)對當下的不確定因素,實現(xiàn)未來進步。
