勞動節專題
向奮戰在化學科研、教學和推廣領域的工作者們致敬！
勞動節假期，我們準備了來自于英國皇家化學會旗艦雜志 Chemistry World 的幾篇職業發展專題，希望能通過一些特別的小故事讓讀者們有所啟發和收獲，更好地在自己的專業成長道路上破浪前行。
Technology
機器人會成為化學家的幫手？還是會搶走你的工作？
AI 卷來了
自動化正在化學實驗室興起
英國的 Deepmatter 是一家開發化學自動化工具的公司，該公司的銷售總監Paul Whittles說，自從新冠肺炎大流行病開始以來，化學反應自動化已被許多公司加入愿望單。目前很多公司的產能只能達到滿載情況下的 25%，但是如果有了完全自動化的合成工具，化學家們只需要坐在家里對機器人進行編程就能保持實驗室的運作。Whittles 說：“這是人們一直夢寐以求的事情，這個想法被越來越多的人認真對待。”
“化學自動化并不是一個新概念，人們自 1990 年初就一直在嘗試。”Whittles 說道。但是在最近十年間，它的使用和商業上可行的工具都出現了爆炸性增長。瑞士 Chemspeed 公司的 CEO Michael Schneider 說：“為了在研發和質量控制方面保持競爭力，化學自動化現在對大家來說都非常重要。”英國利茲大學的 Richard Bourne 也認為工業界已經開始行動了他曾與葛蘭素史克、阿斯利康和輝瑞公司合作，一同推進化學自動化的發展，與此同時這些公司也期待在未來的實驗室中能有大批的機器人同時運作。
自動化幾乎可以應用于任何規模、所有類型的化學反應，從反應條件的自動優化到使用機器人來完成實驗操作都能大放異彩。Bourne 正在開發自動化流程系統，為藥物開發的后期階段提供在線控制，同時自動化也被用于利物浦大學的材料創新工廠 (Materials Innovation Factory, MIF) 。利物浦大學合成材料化學家 Anna Slater 說：“這就是它真正激動人心的地方，在材料領域應用自動化可以給你帶來前所未有的好處。”2018 年落地的 MIF 使用機器人和自動化技術，現在已經孵化出了 CageCapture 一家使用納米籠分子過濾空氣中有害污染物的公司。
藥物化學的最終目的是實現從設計、合成到檢測和分析的整個流程的自動化，簡稱為 DMTA 循環 (design, make, test and analyse)。Deepmatter 公司的首席技術官 Steve Coles 說：“這項工作非常有挑戰性，如果能把這個流程從 90 天縮短到 20 天，那么篩選的總數就能增加四倍。”
速度并不是自動化的唯一優勢。英國 Radleys 公司的技術和研發經理 Ben Taylor 說：“你可以提高生產力、增加產量、提高產品純度、減少次品、減少浪費和廢物處理費用。”這是一家生產用于自動化反應的玻璃和實驗儀器制造商。Taylor 補充道：“反應自動化可以更好地控制反應條件進而提高安全性。此外，Bourne 認為自動化流程的可重復性也會更好。這一點對于制藥業來特別重要，也能讓公司更容易地擴大生產規模。
自動化的優勢和受到的質疑
Slater 說：“真正令我興奮的是可以得到大量關于流程的信息，我可以獲得更多的理解。這可能會為我指出一條意想不到的方向。”自動化系統可以每隔幾毫秒就收集到大量的數據，比如溫度、pH 值等，而在一些情況下這些數據也可以反饋給化學家。例如 Coles 所說的，“通過采集到的數據，我們可以判斷反應其實已經結束了，并不需要繼續加熱兩天。”
不過，自動化也有一定的局限性。Coles 說，“目前處理固體仍然很困難，而且也會遇到比其他固體更難處理的試劑。比如格氏反應中使用的鎂粉，鎂粉使用起來有一定的危險性。”Bourne 補充道：一些極度放熱和對空氣非常敏感的化學反應也很難處理。這些自動化平臺更適合用于可以寫出配方的流程化反應。
做出改變，離開舒適區
即便在可以實現自動化的地方，也不是所有人都被它的優勢吸引。英國的 Peak Analysis and Automation 公司的應用專家 Oliver de Peyer 在工業界和學術界都從事過實驗室自動化工作，他反映曾經受到過很多人的質疑。有人對 de Peyer 說，“如果你是一個真正的科學家，那就要自己動手做實驗，用機器人替自己做實驗的人是真的懶。”
人們似乎很擔心自動化技術不僅會取代實驗室化學家的角色，而且會改變實驗室的文化。Schneider 說：“改變意味著離開舒適區，但他相信隨著更多的化學家看到自動化的優勢后能被大家迅速接受。”
自動化必然會改變化學家的角色，但也許這將是一件好事。Bourne 說：“它能將從事重復性體力勞動的化學家解放出來，能夠把時間花在真正思考其背后的科學問題�；瘜W家原本花在實驗室時間會向辦公室轉移，而化學家也將轉而成為 Coles 口中的“信息工作者”。這可能會讓人有更多的求知欲，de Peyer 說，“在科學研究中存在大量工作枯燥無味的重復勞動可能會使人迷失自我，甚至喪失求知欲。”他希望自動化可以對博士生的工作帶來一些積極影響。“你可以不用每周在實驗室工作 80 個小時，不再需要那么高強度的勞動。”
但目前領域內的大多數人并不認為自動化會減少社會對化學家的需求。Coles 說：“未來化學家將會優化機器人用于合成的時間，讓它們少做無用功。”Slater 確信，未來仍有修修補補的工作需要在實驗室里完成。“完成自動化需要對化學的理解，而理解化學最好的方法是做實驗。“在使用自動化的方法之前，她仍然會在圓底燒瓶中進行探索性的實驗。”
自動化會改變化學家的角色，
但這或許是一件好事
社會對重復性工作的技術員角色的需求可能會減少，但今天大多數技術員早已是經驗豐富的專家，自動化則很有可能創造出一大批維護和運行自動化系統的崗位。
隨著實驗室自動化愈發重要，這對本科生需要掌握的技能也產生了影響�；瘜W家當然需要實踐技能，但Slater說：“如果你問我們還應該給學生講授什么課程，那編程必然會排在這個列表的最前面。“諸如 Python 等編程語言對于控制一些自動化系統是不可或缺的工具。布里斯托大學現在提供一個帶有科學計算課程的化學學位，其他大學也可能會跟進。
“但對本科階段最重要的是有機會接觸實驗室自動化并對其有所了解，”Schneider 說，“這并不是一項特殊的技能，而是一種思維方式。“許多公司表示他們的平臺也將提供更加易用的交互界面，方便所有人設計實驗。
增加自主權
雖然機器人可能還沒有跟你搶工作，但當自動化與先進的人工智能相結合，情況可能就不一樣了。Bourne 說：“也許在未來 10 到 20 年后，我們可能看到帶有 AI 的機器人。你可以向服務器發送請求，然后服務器會幫助完成想要的化學反應并把結果反饋給你，而這一切都僅在幾個小時內就被機器人全自動地完成了。”
這個時刻可能離我們并不遙遠。2020 年，IBM Research Europe 和 Chemspeed 共同推出了自動化的化學合成平臺 RoboRXN，將 IBM 的預測逆合成機器學習模型與自動化機器人設備相結合，在千里之外的實驗室內遠程合成想要的分子。人所需要做的只是輸入要的分子，然后化學自動化會結合人工智能、云技術完成剩下的工作。AI 模型已經過大量已知化學反應的訓練，可以給人們推測正確的合成順序，以最少的人工干預合成特定的目標分子。
其他實驗室也已經開始將深度學習與自動化相結合的方式決定要進行的各種實驗。2018 年，由英國曼徹斯特大學、阿伯里斯特威斯大學和劍橋大學的科學家共同開發的人工智能機器人 Eve，發現常見的牙膏中的“三氯生 (triclosan)”是一種抗瘧疾的候選藥物。Eve 能使用基于酵母的檢測方法自動開發和測試猜想，隨后進行高通量實驗，找到能靶向抑制瘧原蟲中酶的分子。
利物浦大學的 Andrew Cooper 在去年發表了他的智能移動“機器人科學家”的工作成果，每天的工作時間可以達到 21.5 小時，讓實驗內最“勤勞”的學生也難以望其項背。這個機器人使用搜索算法根據之前的結果進行實驗規劃，并在 8 天內進行的 688 次實驗中發現了一種新的催化劑。這個重達 400 公斤的機器人有一個人高，可以與人類科學家一起工作，在實驗室中挑選試劑瓶，并使用和人類科學家相同儀器和設備。像這樣的機器人科學家能否跟上實驗室的八卦，我們還有待觀察。
“我感覺我們現在正處于一個歷史轉折點，自動化的使用將會越來越廣泛。我認為這些工具將有意想不到的新應用，并將影響現在和未來的科學研究，”Slater 說，“但這也并不能解決化學家遇到的所有問題！”
