In meno tempo di quello necessario per leggere questo articolo, un sistema guidato dall’intelligenza artificiale è stato in grado di apprendere autonomamente alcune reazioni chimiche vincitrici del Premio Nobel e progettare una procedura di laboratorio di successo per realizzarle. L'intelligenza artificiale ha fatto tutto questo in pochi minuti e ha centrato l'obiettivo al primo tentativo.
"Questa è la prima volta che un'intelligenza non organica pianifica, progetta ed esegue questa complessa reazione inventata dagli esseri umani", afferma Gabe Gomes, chimico e ingegnere chimico della Carnegie Mellon University, che ha guidato il gruppo di ricerca che ha assemblato e testato l'intelligenza artificiale. sistema basato. Hanno soprannominato la loro creazione "Coscienziato".
Le reazioni più complesse che Coscientist ha realizzato sono conosciute in chimica organica come accoppiamenti incrociati catalizzati da palladio, che hanno valso ai suoi inventori umani il Premio Nobel per la chimica 2010 in riconoscimento del ruolo enorme che quelle reazioni hanno giocato nel processo di sviluppo farmaceutico e in altre industrie che utilizzare molecole esigenti a base di carbonio.
Pubblicato sulla rivista Natura , le capacità dimostrate di Coscientist mostrano il potenziale per gli esseri umani di utilizzare in modo produttivo l'intelligenza artificiale per aumentare il ritmo e il numero di scoperte scientifiche, oltre a migliorare la replicabilità e l'affidabilità dei risultati sperimentali.
Il gruppo di ricerca di quattro persone comprende gli studenti di dottorato Daniil Boiko e Robert MacKnight, che hanno ricevuto supporto e formazione rispettivamente dal Centro nazionale statunitense per la sintesi chemoenzimatica della Northwestern University e dal Centro NSF per la sintesi assistita da computer presso l'Università di Notre Dame. .
"Al di là delle attività di sintesi chimica dimostrate dal loro sistema, Gomes e il suo team sono riusciti a sintetizzare con successo una sorta di partner di laboratorio iperefficiente", afferma David Berkowitz, direttore della divisione chimica della NSF. "Hanno messo insieme tutti i pezzi e il risultato finale è molto più della somma delle sue parti:può essere utilizzato per scopi scientifici veramente utili."
Mettere insieme Coscientist
I principali tra i software e le parti basate sul silicio di Coscientist sono i grandi modelli linguistici che compongono i suoi "cervelli" artificiali. Un modello linguistico di grandi dimensioni è un tipo di intelligenza artificiale in grado di estrarre significato e modelli da enormi quantità di dati, incluso il testo scritto contenuto nei documenti.
Attraverso una serie di attività, il team ha testato e confrontato diversi modelli linguistici di grandi dimensioni, tra cui GPT-4 e altre versioni dei modelli linguistici di grandi dimensioni GPT realizzati dalla società OpenAI.
Coscientist è stato inoltre dotato di diversi moduli software che il team ha testato prima individualmente e poi di concerto.
"Abbiamo cercato di suddividere tutti i possibili compiti della scienza in piccole parti e poi, pezzo per pezzo, costruire il quadro più ampio", afferma Boiko, che ha progettato l'architettura generale di Coscientist e i suoi compiti sperimentali. "Alla fine, abbiamo messo tutto insieme."
I moduli software hanno consentito a Coscientist di fare cose che fanno tutti i chimici ricercatori:cercare informazioni pubbliche sui composti chimici, trovare e leggere manuali tecnici su come controllare le apparecchiature di laboratorio robotiche, scrivere codice informatico per eseguire esperimenti e analizzare i dati risultanti per determinare cosa ha funzionato e cosa no.
Un test ha esaminato la capacità di Coscientist di pianificare accuratamente procedure chimiche che, se eseguite, darebbero come risultato sostanze di uso comune come l'aspirina, il paracetamolo e l'ibuprofene. I grandi modelli linguistici sono stati testati e confrontati individualmente, incluse due versioni di GPT con un modulo software che gli consente di utilizzare Google per cercare informazioni su Internet come farebbe un chimico umano.
Le procedure risultanti sono state quindi esaminate e valutate in base a se avrebbero portato alla sostanza desiderata, a quanto dettagliati fossero i passaggi e ad altri fattori. Alcuni dei punteggi più alti sono stati ottenuti dal modulo GPT-4 abilitato alla ricerca, che è stato l'unico a creare una procedura di qualità accettabile per la sintesi dell'ibuprofene.
Boiko e MacKnight hanno osservato Coscientist mentre dimostrava il "ragionamento chimico", che Boiko descrive come la capacità di utilizzare informazioni legate alla chimica e conoscenze precedentemente acquisite per guidare le proprie azioni. Ha utilizzato informazioni chimiche disponibili al pubblico codificate nel formato Simplified Molecular Input Line Entry System (SMILES) - un tipo di notazione leggibile dalla macchina che rappresenta la struttura chimica delle molecole - e ha apportato modifiche ai suoi piani sperimentali basati su parti specifiche delle molecole che stava studiando. controllo all'interno dei dati SMILES.
"Questa è la migliore versione possibile del ragionamento chimico", afferma Boiko.
Ulteriori test hanno incorporato moduli software che consentono a Coscientist di cercare e utilizzare documenti tecnici che descrivono le interfacce di programmazione delle applicazioni che controllano le apparecchiature di laboratorio robotiche. Questi test sono stati importanti per determinare se Coscientist poteva tradurre i suoi piani teorici per la sintesi di composti chimici in codice informatico che avrebbe guidato i robot di laboratorio nel mondo fisico.
Le apparecchiature chimiche robotiche ad alta tecnologia sono comunemente utilizzate nei laboratori per aspirare, spruzzare, riscaldare, agitare e fare altre cose su minuscoli campioni liquidi con estrema precisione più e più volte. Tali robot sono generalmente controllati tramite codice informatico scritto da chimici umani che potrebbero trovarsi nello stesso laboratorio o dall'altra parte del paese.
Questa era la prima volta che tali robot venivano controllati da un codice computerizzato scritto dall'intelligenza artificiale.
Il team ha avviato Coscientist con compiti semplici che richiedevano di far sì che una macchina robotizzata per la gestione dei liquidi distribuisse liquido colorato in una piastra contenente 96 piccoli pozzetti allineati in una griglia. È stato detto di "colorare ogni altra linea con un colore a scelta", "disegnare una diagonale blu" e altri compiti che ricordano la scuola materna.
Dopo aver conseguito il diploma di gestore di liquidi 101, il team ha introdotto Coscientist a più tipi di apparecchiature robotiche. Hanno collaborato con Emerald Cloud Lab, una struttura commerciale piena di vari tipi di strumenti automatizzati, inclusi gli spettrofotometri, che misurano le lunghezze d'onda della luce assorbita dai campioni chimici. Al coscientista è stato quindi presentato un piatto contenente liquidi di tre diversi colori (rosso, giallo e blu) e gli è stato chiesto di determinare quali colori erano presenti e dove si trovavano sul piatto.
Poiché il Coscientist non ha occhi, ha scritto un codice per passare roboticamente la lastra dai colori misteriosi allo spettrofotometro e analizzare le lunghezze d'onda della luce assorbite da ciascun pozzetto, identificando così quali colori erano presenti e la loro posizione sulla lastra. Per questo incarico, i ricercatori hanno dovuto dare una piccola spinta al Coscientist nella giusta direzione, istruendolo a pensare a come i diversi colori assorbono la luce. L'intelligenza artificiale ha fatto il resto.
L'esame finale del Coscientist consisteva nel mettere insieme i moduli assemblati e la formazione per soddisfare il comando del team di "eseguire le reazioni Suzuki e Sonogashira", dal nome dei loro inventori Akira Suzuki e Kenkichi Sonogashira.
Scoperte negli anni '70, le reazioni utilizzano il palladio metallico per catalizzare i legami tra gli atomi di carbonio nelle molecole organiche. Le reazioni si sono rivelate estremamente utili nella produzione di nuovi tipi di medicinali per il trattamento di infiammazioni, asma e altre condizioni. Sono utilizzati anche nei semiconduttori organici degli OLED presenti in molti smartphone e monitor. Le reazioni rivoluzionarie e il loro ampio impatto sono stati formalmente riconosciuti con un Premio Nobel assegnato congiuntamente nel 2010 a Sukuzi, Richard Heck e Ei-ichi Negishi.
Naturalmente, Coscientist non aveva mai tentato queste reazioni prima. Quindi, come ha fatto questo autore per scrivere il paragrafo precedente, è andato su Wikipedia e ha cercato.
"Per me, il momento più entusiasmante è stato vederlo porre tutte le domande giuste", afferma MacKnight, che ha progettato il modulo software che consente a Coscientist di effettuare ricerche nella documentazione tecnica.
Coscientist cercava risposte prevalentemente su Wikipedia, insieme a una serie di altri siti tra cui quelli dell'American Chemical Society, della Royal Society of Chemistry e altri contenenti documenti accademici che descrivono le reazioni di Suzuki e Sonogashira.
In meno di quattro minuti, Coscientist ha progettato una procedura accurata per produrre le reazioni richieste utilizzando le sostanze chimiche fornite dal team. Quando ha cercato di eseguire la sua procedura nel mondo fisico con i robot, ha commesso un errore nel codice scritto per controllare un dispositivo che riscalda e scuote campioni liquidi. Senza chiedere aiuto agli esseri umani, Coscientist ha individuato il problema, ha fatto riferimento al manuale tecnico del dispositivo, ne ha corretto il codice e ha riprovato.
I risultati erano contenuti in alcuni minuscoli campioni di liquido trasparente. Boiko ha analizzato i campioni e ha trovato le caratteristiche spettrali delle reazioni di Suzuki e Sonogashira.
Gomes rimase incredulo quando Boiko e MacKnight gli raccontarono cosa aveva fatto Coscientist. "Pensavo che mi stessero prendendo in giro", ricorda. "Ma non lo erano. Non lo erano assolutamente. E fu allora che capì:okay, abbiamo qualcosa di molto nuovo, molto potente."
Con questo potere potenziale nasce la necessità di usarlo saggiamente e di proteggersi da abusi. Gomes afferma che comprendere le capacità e i limiti dell'IA è il primo passo per elaborare regole e politiche informate che possano prevenire efficacemente usi dannosi dell'IA, siano essi intenzionali o accidentali.
"Dobbiamo essere responsabili e attenti al modo in cui queste tecnologie vengono implementate", afferma.
Gomes è uno dei numerosi ricercatori che forniscono consulenza e guida di esperti per gli sforzi del governo degli Stati Uniti volti a garantire che l'intelligenza artificiale venga utilizzata in modo sicuro e protetto, come ad esempio l'ordine esecutivo dell'amministrazione Biden dell'ottobre 2023 sullo sviluppo dell'intelligenza artificiale.
Il mondo naturale è praticamente infinito per dimensioni e complessità e contiene scoperte indicibili che aspettano solo di essere scoperte. Immagina nuovi materiali superconduttori che aumentano notevolmente l’efficienza energetica o composti chimici che curano malattie altrimenti incurabili e prolungano la vita umana. Eppure, acquisire l’istruzione e la formazione necessarie per realizzare tali progressi è un viaggio lungo e arduo. Diventare uno scienziato è difficile.
Gomes e il suo team immaginano che i sistemi assistiti dall'intelligenza artificiale come Coscientist siano una soluzione in grado di colmare il divario tra la vastità inesplorata della natura e il fatto che gli scienziati qualificati scarseggiano, e probabilmente lo saranno sempre.
Anche gli scienziati umani hanno bisogni umani, come dormire e occasionalmente uscire dal laboratorio. Mentre l’intelligenza artificiale guidata dall’uomo può “pensare” 24 ore su 24, rigirando metodicamente ogni proverbiale sasso, controllando e ricontrollando la replicabilità dei suoi risultati sperimentali. "Possiamo avere qualcosa che funzioni in modo autonomo, cercando di scoprire nuovi fenomeni, nuove reazioni, nuove idee", afferma Gomes.
"Puoi anche ridurre in modo significativo la barriera all'ingresso praticamente in qualsiasi campo", afferma. Ad esempio, se un biologo non esperto nelle reazioni Suzuki volesse esplorarne l'uso in un modo nuovo, potrebbe chiedere a Coscientist di aiutarlo a pianificare gli esperimenti.
"Si può avere questa massiccia democratizzazione delle risorse e della comprensione", spiega.
Nella scienza esiste un processo iterativo che consiste nel provare qualcosa, fallire, apprendere e migliorare, che l’intelligenza artificiale può sostanzialmente accelerare, afferma Gomes. "Questo già di per sé rappresenterà un cambiamento drammatico."
Ulteriori informazioni: Gabe Gomes, Capacità di ricerca scientifica autonoma di grandi modelli linguistici, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06792-0. www.nature.com/articles/s41586-023-06792-0
Informazioni sul giornale: Natura
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