DARPA nutzt KI zur Innovation von Batterien und Sprengstoffen

• DARPA hat auf maschinellem Lernen basierende Werkzeuge zur Herstellung neuer Moleküle entwickelt.
• Das Programm mit dem Namen Make-It kann den Prozess der chemischen Entdeckung für mehrere militärische Produkte und Anwendungen beschleunigen.

Eine der größten Herausforderungen der modernen organischen Chemie besteht darin, Computern beizubringen, wie man chemische Synthesen plant. Trotz jahrelanger Forschung ist es uns nicht gelungen, vollständige Wege zu finden, die von Computern erstellt und dann erfolgreich im Labor umgesetzt wurden.

Gegenwärtig ist Computersoftware/-hardware nicht in der Lage, eine riesige Wissensbasis über chemische Transformationen zu verwalten, effizient durch riesige „Bäume“ synthetischer Möglichkeiten und Logik höherer Ordnung zu navigieren.

DARPA arbeitet derzeit an einem Softwaretool, das auf von Experten kodierten und maschinellen Lerntechniken basiert, um Synthesewege vorherzusagen, die hinsichtlich Parametern wie Zeit, Kosten, Sicherheit und Abfallminimierung optimiert sind.

Das Programm mit dem Namen „Make-It“ zielt darauf ab, Forschern Freiraum zu geben, damit sie sich auf chemische Innovationen konzentrieren können, anstatt zahlreiche Synthesewege für Verbindungen zu testen. Das Team versucht, automatisierte Geräte zu bauen (basierend auf dem Konzept „Viele Moleküle in einem Gerät“), die mithilfe der eigenen Wissensbasis und des Trial-and-Error-Prozesses die gewünschten Verbindungen erzeugen.

Es kann den Prozess der chemischen Entdeckung für mehrere militärische Produkte und Anwendungen beschleunigen. Die gute Nachricht ist, dass sie kürzlich bemerkenswerte Fortschritte beim Bau dieser automatisierten Ausrüstung erzielt haben.

Es könnte eine breite Palette von Verteidigungsprodukten der nächsten Generation ermöglichen, darunter kleinere und langlebigere Batterien, Brennstoffzellen, sicherer zu handhabende Sprengstoffe, wirksame Treibstoffe für Raketentriebwerke, bessere Klebstoffe, Farben und Beschichtungen.

Wie wird dies forschenden Chemikern helfen?

Normalerweise verbringt ein Forschungschemiker Dutzende Stunden damit, Synthesewege für eine neue Verbindung zu entwickeln, und Monate damit, die Synthese im Labor durchzuführen und zu verbessern. Dieses neue Tool wird Chemikern helfen, ihre Gehirnleistung in anderen wertvollen Bereichen wie der molekularen Entdeckung einzusetzen.

Forschungschemiker wären in der Lage, Moleküle entsprechend ihren Anforderungen zu erzeugen, anstatt sie von Lieferanten einzukaufen und in großen Mengen zu entsorgen. Das Tool könnte nicht nur im Bereich der Chemie von Nutzen sein, sondern auch in vielen anderen Technologiebereichen, in denen es um die Forschung und Entwicklung kleiner Moleküle geht.

Diagramme synthetischer Möglichkeiten, die aus dem Ziel entstehen und sich mit der Zahl erweitern. von Suchiterationen

Bei nicht automatisierten Methoden können die kleinen und vernachlässigbaren Änderungen große Auswirkungen auf den Durchsatz und die Reinheit der erzeugten Verbindungen haben, was es schwierig macht, zuvor veröffentlichte Synthesen zu reproduzieren. Die automatisierte chemische Synthese hingegen generiert reproduzierbare Verfahren, die die Produktion beschleunigen und demokratisieren.

Referenz:ScienceDirect | doi:10.1016/j.chempr.2018.02.002 | DARPA

Nach Angaben der Entwickler gewährleistet Make-It eine genaue Reproduzierbarkeit. Da die Pfade durch Computeranweisungen ausgeführt werden, kommt es nicht zu Schwankungen von Labor zu Labor.

Make-It-Synthesegeräte bieten eine sauberere, sicherere Lösung. Man muss nicht physisch mit schädlichen Chemikalien wie Sprengstoffen umgehen. Darüber hinaus erfordern diese Geräte geringe Lösungsmittelmengen, wodurch weniger Abfall entsteht.

Andere ähnliche Tools

Viele andere Institute und Organisationen erforschen verschiedene Möglichkeiten zur Entwicklung von Werkzeugen, mit denen zahlreiche Optionen für chemische Wege automatisch entworfen werden können. Mit dem Optimierungstool für molekulare Pfade von Grzybowski Scientific Inventions (GSI) können Wissenschaftler Millionen von Datenpunkten filtern und die besten Wege für die Arzneimittelforschung und medizinische Chemie finden. Das Tool ist im Handel erhältlich.

Forscher der Universität Glasgow arbeiten derzeit an kostengünstigen Werkzeugen, mit denen tragbare Reaktoren in 3D gedruckt werden können, um unterwegs bestimmte Verbindungen herzustellen. Das MIT nutzt auch Fachwissen zu Modellen des maschinellen Lernens, um die Entdeckung von Arzneimitteln zu unterstützen.

Automatisierter chemischer Synthesizer | Bildnachweis:MIT

Das obige Bild zeigt den automatisierten chemischen Synthesizer des MIT, in dem Chemikalien in die vertikal ausgerichteten Reaktoren fließen. Ein Roboterarm kann diese chemischen Reaktoren einsetzen, neu anordnen oder entfernen, um computergesteuerte Synthesen durchzuführen.

Die Purdue University hat ein Hochdurchsatz-Screening-Verfahren entwickelt, das Datenverarbeitungssoftware, Robotik, empfindliche Detektoren und Liquid-Handling-Geräte nutzt, um schnell Millionen genetischer und pharmakologischer Tests durchzuführen.

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Das Spannende an Make-IT von DARPA ist, dass es darauf abzielt, beliebige Moleküle zu erzeugen, und zwar nicht nur für Pharmazeutika, sondern für alle Verteidigungsbereiche. In den kommenden Jahren werden Forscher fortschrittliche Analyseinstrumente nutzen, um die Echtzeitklassifizierung eines Syntheseprozesses zu integrieren und komplexere Verbindungen zu entwickeln.