劳动节专题
向奋战在化学科研、教学和推广领域的工作者们致敬！
劳动节假期，我们准备了来自于英国皇家化学会旗舰杂志 Chemistry World 的几篇职业发展专题，希望能通过一些特别的小故事让读者们有所启发和收获，更好地在自己的专业成长道路上破浪前行。
Technology
机器人会成为化学家的帮手？还是会抢走你的工作？
AI 卷来了
自动化正在化学实验室兴起
英国的 Deepmatter 是一家开发化学自动化工具的公司，该公司的销售总监Paul Whittles说，自从新冠肺炎大流行病开始以来，化学反应自动化已被许多公司加入愿望单。目前很多公司的产能只能达到满载情况下的 25%，但是如果有了完全自动化的合成工具，化学家们只需要坐在家里对机器人进行编程就能保持实验室的运作。Whittles 说：“这是人们一直梦寐以求的事情，这个想法被越来越多的人认真对待。”
“化学自动化并不是一个新概念，人们自 1990 年初就一直在尝试。”Whittles 说道。但是在最近十年间，它的使用和商业上可行的工具都出现了爆炸性增长。瑞士 Chemspeed 公司的 CEO Michael Schneider 说：“为了在研发和质量控制方面保持竞争力，化学自动化现在对大家来说都非常重要。”英国利兹大学的 Richard Bourne 也认为工业界已经开始行动了他曾与葛兰素史克、阿斯利康和辉瑞公司合作，一同推进化学自动化的发展，与此同时这些公司也期待在未来的实验室中能有大批的机器人同时运作。
自动化几乎可以应用于任何规模、所有类型的化学反应，从反应条件的自动优化到使用机器人来完成实验操作都能大放异彩。Bourne 正在开发自动化流程系统，为药物开发的后期阶段提供在线控制，同时自动化也被用于利物浦大学的材料创新工厂 (Materials Innovation Factory, MIF) 。利物浦大学合成材料化学家 Anna Slater 说：“这就是它真正激动人心的地方，在材料领域应用自动化可以给你带来前所未有的好处。”2018 年落地的 MIF 使用机器人和自动化技术，现在已经孵化出了 CageCapture 一家使用纳米笼分子过滤空气中有害污染物的公司。
药物化学的最终目的是实现从设计、合成到检测和分析的整个流程的自动化，简称为 DMTA 循环 (design, make, test and analyse)。Deepmatter 公司的首席技术官 Steve Coles 说：“这项工作非常有挑战性，如果能把这个流程从 90 天缩短到 20 天，那么筛选的总数就能增加四倍。”
速度并不是自动化的唯一优势。英国 Radleys 公司的技术和研发经理 Ben Taylor 说：“你可以提高生产力、增加产量、提高产品纯度、减少次品、减少浪费和废物处理费用。”这是一家生产用于自动化反应的玻璃和实验仪器制造商。Taylor 补充道：“反应自动化可以更好地控制反应条件进而提高安全性。此外，Bourne 认为自动化流程的可重复性也会更好。这一点对于制药业来特别重要，也能让公司更容易地扩大生产规模。
自动化的优势和受到的质疑
Slater 说：“真正令我兴奋的是可以得到大量关于流程的信息，我可以获得更多的理解。这可能会为我指出一条意想不到的方向。”自动化系统可以每隔几毫秒就收集到大量的数据，比如温度、pH 值等，而在一些情况下这些数据也可以反馈给化学家。例如 Coles 所说的，“通过采集到的数据，我们可以判断反应其实已经结束了，并不需要继续加热两天。”
不过，自动化也有一定的局限性。Coles 说，“目前处理固体仍然很困难，而且也会遇到比其他固体更难处理的试剂。比如格氏反应中使用的镁粉，镁粉使用起来有一定的危险性。”Bourne 补充道：一些极度放热和对空气非常敏感的化学反应也很难处理。这些自动化平台更适合用于可以写出配方的流程化反应。
做出改变，离开舒适区
即便在可以实现自动化的地方，也不是所有人都被它的优势吸引。英国的 Peak Analysis and Automation 公司的应用专家 Oliver de Peyer 在工业界和学术界都从事过实验室自动化工作，他反映曾经受到过很多人的质疑。有人对 de Peyer 说，“如果你是一个真正的科学家，那就要自己动手做实验，用机器人替自己做实验的人是真的懒。”
人们似乎很担心自动化技术不仅会取代实验室化学家的角色，而且会改变实验室的文化。Schneider 说：“改变意味着离开舒适区，但他相信随着更多的化学家看到自动化的优势后能被大家迅速接受。”
自动化必然会改变化学家的角色，但也许这将是一件好事。Bourne 说：“它能将从事重复性体力劳动的化学家解放出来，能够把时间花在真正思考其背后的科学问题。化学家原本花在实验室时间会向办公室转移，而化学家也将转而成为 Coles 口中的“信息工作者”。这可能会让人有更多的求知欲，de Peyer 说，“在科学研究中存在大量工作枯燥无味的重复劳动可能会使人迷失自我，甚至丧失求知欲。”他希望自动化可以对博士生的工作带来一些积极影响。“你可以不用每周在实验室工作 80 个小时，不再需要那么高强度的劳动。”
但目前领域内的大多数人并不认为自动化会减少社会对化学家的需求。Coles 说：“未来化学家将会优化机器人用于合成的时间，让它们少做无用功。”Slater 确信，未来仍有修修补补的工作需要在实验室里完成。“完成自动化需要对化学的理解，而理解化学最好的方法是做实验。“在使用自动化的方法之前，她仍然会在圆底烧瓶中进行探索性的实验。”
自动化会改变化学家的角色，
但这或许是一件好事
社会对重复性工作的技术员角色的需求可能会减少，但今天大多数技术员早已是经验丰富的专家，自动化则很有可能创造出一大批维护和运行自动化系统的岗位。
随着实验室自动化愈发重要，这对本科生需要掌握的技能也产生了影响。化学家当然需要实践技能，但Slater说：“如果你问我们还应该给学生讲授什么课程，那编程必然会排在这个列表的最前面。“诸如 Python 等编程语言对于控制一些自动化系统是不可或缺的工具。布里斯托大学现在提供一个带有科学计算课程的化学学位，其他大学也可能会跟进。
“但对本科阶段最重要的是有机会接触实验室自动化并对其有所了解，”Schneider 说，“这并不是一项特殊的技能，而是一种思维方式。“许多公司表示他们的平台也将提供更加易用的交互界面，方便所有人设计实验。
增加自主权
虽然机器人可能还没有跟你抢工作，但当自动化与先进的人工智能相结合，情况可能就不一样了。Bourne 说：“也许在未来 10 到 20 年后，我们可能看到带有 AI 的机器人。你可以向服务器发送请求，然后服务器会帮助完成想要的化学反应并把结果反馈给你，而这一切都仅在几个小时内就被机器人全自动地完成了。”
这个时刻可能离我们并不遥远。2020 年，IBM Research Europe 和 Chemspeed 共同推出了自动化的化学合成平台 RoboRXN，将 IBM 的预测逆合成机器学习模型与自动化机器人设备相结合，在千里之外的实验室内远程合成想要的分子。人所需要做的只是输入要的分子，然后化学自动化会结合人工智能、云技术完成剩下的工作。AI 模型已经过大量已知化学反应的训练，可以给人们推测正确的合成顺序，以最少的人工干预合成特定的目标分子。
其他实验室也已经开始将深度学习与自动化相结合的方式决定要进行的各种实验。2018 年，由英国曼彻斯特大学、阿伯里斯特威斯大学和剑桥大学的科学家共同开发的人工智能机器人 Eve，发现常见的牙膏中的“三氯生 (triclosan)”是一种抗疟疾的候选药物。Eve 能使用基于酵母的检测方法自动开发和测试猜想，随后进行高通量实验，找到能靶向抑制疟原虫中酶的分子。
利物浦大学的 Andrew Cooper 在去年发表了他的智能移动“机器人科学家”的工作成果，每天的工作时间可以达到 21.5 小时，让实验内最“勤劳”的学生也难以望其项背。这个机器人使用搜索算法根据之前的结果进行实验规划，并在 8 天内进行的 688 次实验中发现了一种新的催化剂。这个重达 400 公斤的机器人有一个人高，可以与人类科学家一起工作，在实验室中挑选试剂瓶，并使用和人类科学家相同仪器和设备。像这样的机器人科学家能否跟上实验室的八卦，我们还有待观察。
“我感觉我们现在正处于一个历史转折点，自动化的使用将会越来越广泛。我认为这些工具将有意想不到的新应用，并将影响现在和未来的科学研究，”Slater 说，“但这也并不能解决化学家遇到的所有问题！”
