Systemen voor kunstmatige intelligentie (AI) voeren autonoom onderzoek uit in de scheikunde  

Wetenschappers hebben met succes de nieuwste AI-tools (zoals GPT-4) geïntegreerd met automatisering om ‘systemen’ te ontwikkelen die in staat zijn om zelfstandig complexe chemische experimenten te ontwerpen, plannen en uitvoeren. ‘Coscientist’ en ‘ChemCrow’ zijn twee van dergelijke op AI gebaseerde systemen die onlangs zijn ontwikkeld en die nieuwe mogelijkheden vertonen. Gedreven door GPT-4 (de nieuwste versie van generatieve AI van OpenAI), demonstreerde Coscientist geavanceerde redeneer- en experimentele ontwerpmogelijkheden. ChemCrow automatiseerde effectief een reeks taken en voerde de ontdekking en synthese van chemische agentia uit. ‘Coscientist’ en ‘ChemCrow’ bieden een nieuwe manier om synergetisch onderzoek uit te voeren in samenwerking met machines en kunnen van pas komen bij het uitvoeren van experimentele taken in geautomatiseerde robotlaboratoria.  

Generatief AI Gaat over het creëren of genereren van nieuwe inhoud door a computer programma. Google Translate dat 17 jaar geleden in 2007 ontstond, is een voorbeeld van generatief kunstmatige intelligentie (AI). Het genereert vertalingen (uitvoer) vanuit een bepaalde taal (invoer). Open eenIk ben ChatGPT , Van Microsoft Copilot, Google Bard, Meta (voorheen Facebook) ’s Lama , Elon Musk's Grok enz. zijn enkele van de belangrijkste AI hulpmiddelen die momenteel beschikbaar zijn.  

ChatGPT, vorig jaar gelanceerd op 30 november 2022, is erg populair geworden. Er wordt gezegd dat het binnen vijf dagen 1 miljoen gebruikers heeft verworven en binnen twee maanden 5 miljoen maandelijkse gebruikers. ChatGPT is gebaseerd op een groot taalmodel (LLM). Het belangrijkste principe is taal modelleren, dwz het model vooraf trainen met de gegevens, zodat het model voorspelt wat er daarna in de zinnen komt als daarom wordt gevraagd. Een taalmodel (LM) doet dus een probabilistische voorspelling van het volgende woord in een natuurlijke taal, gegeven de voorgaande woorden. Wanneer het gebaseerd is op een neuraal netwerk, wordt het 'neuraal netwerktaalmodel' genoemd, waarbij gegevens worden verwerkt op een manier zoals in het menselijk brein. Een groot taalmodel (LLM) is een grootschalig model dat een verscheidenheid aan natuurlijke taalverwerkingstaken kan uitvoeren voor algemeen taalbegrip en -generatie. Transformer is een neurale netwerkarchitectuur die wordt gebruikt om ChatGPT te bouwen. De naam 'GPT' is een acroniem voor 'Generatieve voorgetrainde Transformer'. OpenAI maakt gebruik van op transformatoren gebaseerde grote taalmodellen.  

GPT-4, de vierde versie van ChatGPT, werd uitgebracht op 13 maart 2023. In tegenstelling tot eerdere versies die alleen tekstinvoer accepteren, accepteert GPT-4 zowel afbeeldings- als tekstinvoer (vandaar dat het voorvoegsel Chat niet wordt gebruikt voor de vierde versie). Het is een groot multimodaal model. GPT-4 Turbo, gelanceerd op 06 november 2023, is een verbeterde en krachtigere versie van GPT-4.  

Cowetenschapper bestaat uit vijf op elkaar inwerkende modules: planner, webzoeker, code-uitvoering, documentatie en automatisering. Deze modules wisselen berichten met elkaar uit voor zoeken op internet en documentatie, het uitvoeren van code en het uitvoeren van experimenten. De interactie verloopt via vier opdrachten: ‘GOOGLE’, ‘PYTHON’, ‘DOCUMENTATIE’ en ‘EXPERIMENT’.  

De plannermodule is de hoofdmodule. Het wordt aangestuurd door GPT-4 en is belast met de planning. Op basis van een eenvoudige pijntekstprompt van de gebruiker geeft de planner de nodige opdrachten aan andere modules om kennis te verzamelen. De webzoekermodule, die ook een LLM is, wordt aangeroepen door de GOOGLE-opdracht om op internet en gerelateerde subacties te zoeken voor een effectieve planning. De code-uitvoeringsmodule voert code-uitvoering uit via de PYTHON-opdracht. Deze module gebruikt geen LLM. De documentatiemodule werkt via de opdracht DOCUMENTATION om de benodigde documentatie op te halen en samen te vatten. Op basis hiervan roept de plannermodule de opdracht EXPERIMENT op naar de automatiseringsmodule voor het uitvoeren van experimenten.  

Op gepaste prompt, Cowetenschapper gesynthetiseerde pijnstillers paracetamol en aspirine en de organisch moleculen nitroaniline en fenolftaleïne en vele andere bekende moleculen correct. De plannermodule zou reacties kunnen optimaliseren voor de beste reactieopbrengsten.  

In een ander onderzoek, een LLM-chemieagent ChemCrow plande en synthetiseerde autonoom een ​​insectenverdrijvend middel, drie organocatalysatoren, en begeleidde de ontdekking van een nieuwe chromofoor. ChemCrow was effectief in het automatiseren van diverse chemische taken.  

De twee niet-organisch, kunstmatige intelligente systemen, Cowetenschappers  en  ChemCrow de opkomende mogelijkheden tonen van autonome planning en uitvoering van chemische taken voor de synthese van bekende moleculen en de ontdekking van nieuwe moleculen. Ze beschikken over geavanceerde capaciteiten op het gebied van redeneren, probleemoplossing en experimenteel ontwerp, die van pas kunnen komen bij chemisch onderzoek.  

Dergelijke AI-agentsystemen kunnen door niet-experts worden gebruikt voor het uitvoeren van routinetaken in de chemie, waardoor de kosten en inspanningen worden verlaagd. Ze hebben ook het potentieel om de ontdekking van nieuwe moleculen te versnellen  

*** 

Referenties:  

1. Boiko, DA, enl 2023. Autonoom chemisch onderzoek met grote taalmodellen. Natuur 624, 570–578. Gepubliceerd: 20 december 2023. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06792-0  
2. Carnegie Mellon University 2023 Nieuws - Door de CMU ontworpen kunstmatig intelligente co-wetenschapper automatiseert wetenschappelijke ontdekkingen. Geplaatst op 20 december 2023. Beschikbaar op https://www.cmu.edu/news/stories/archives/2023/december/cmu-designed-artificially-intelligent-coscientist-automates-scientific-discovery  
3. Bran AM, c.s. 2023. ChemCrow: Groottalige modellen uitbreiden met scheikundige hulpmiddelen. arXiv:2304.05376v5. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2304.05376 

*** 

Inleidende lezingen over AI:

***