Coscientist multimodel: Revoluce ve vědě a výzkumu je na dohled

1. Domovská stránka
2. Technologie
3. Coscientist multimodel: Revoluce ve vědě a výzkumu je na dohled

V kratším čase, než vám zabere přečtení tohoto článku, byl systém řízený umělou inteligencí schopen autonomně se naučit o určitých Nobelovou cenou oceněných chemických reakcích a navrhnout úspěšný laboratorní postup pro jejich provedení. Impozantní, nemyslíte? Tato AI tak celý proces zvládla během několika minut a hned na první pokus.

„Je to poprvé, kdy neorganická inteligence naplánovala, navrhla a provedla tuto složitou reakci vynalezenou člověkem,“ uvádí chemik a chemický inženýr z Carnegie Mellon University Gabe Gomes, který vedl výzkumný tým odpovědný za sestavení a testování systému založeného na AI. Tým svůj výtvor nazval „Coscientist“.

Nejsložitější reakce, které Coscientist zvládl, jsou v organické chemii známé jako palladiové katalyzované křížové spojení, které vynesly svým lidským vynálezcům Nobelovu cenu za chemii v roce 2010 za jejich významnou roli ve vývoji farmaceutických přípravků a dalších průmyslových odvětvích využívajících náročné, na uhlíku založené molekuly.

Coscientist může ve velmi krátké době značně pomoci v replikaci studií 

Publikované v časopise Nature, schopnosti Coscientist předvádějí potenciál produktivního využití AI člověkem ke zrychlení tempa a počtu vědeckých objevů, stejně jako ke zlepšení replikovatelnosti a spolehlivosti experimentálních výsledků. Výzkumný tým se skládá ze čtyř osob, včetně doktorandů Daniila Boika a Roberta MacKnighta, kteří obdrželi podporu a školení od amerického Národního vědeckého fondu, Center for Chemoenzymatic Synthesis na Northwestern University a Center for Computer-Assisted Synthesis na Univerzitě Notre Dame.

„Kromě úkolů chemické syntézy, které jejich systém demonstruje, Gomes a jeho tým úspěšně syntetizovali jakýsi hyper-efektivní laboratorní partnera,“ říká David Berkowitz, ředitel oddělení chemie NSF. „Spojili všechny kousky dohromady a výsledný celek je mnohem víc než jen součet jeho částí – může být použit pro skutečně užitečné vědecké účely.“

Obrázek 1 – Midjourney V6: Mangrovová rostlina v temné džungli

Z čeho se Coscientist skládá

Hlavní součástí Coscientist jsou rozsáhlé jazykové modely tvořící jeho umělý „mozek“. Rozsáhlý jazykový model je typ AI, který dokáže extrahovat význam a vzory z obrovského množství dat, včetně textu obsaženého v dokumentech. Tým testoval a porovnával několik rozsáhlých jazykových modelů, včetně GPT-4 a dalších verzí GPT modelů od společnosti OpenAI.

Coscientist byl vybaven několika různými softwarovými moduly, které tým nejprve testoval jednotlivě a poté ve spojení.

„Pokusili jsme se rozdělit všechny možné úkoly ve vědě na malé kousky a postupně z nich sestavit celkový obraz,“ říká Boiko, který navrhl obecnou architekturu Coscientist a jeho experimentální úkoly. „Nakonec jsme všechno spojili dohromady.“

Naplánování chemického postupu pro tvorbu léků

Softwarové moduly umožňovaly Coscientist provádět činnosti, které dělají všichni výzkumní chemici: hledat veřejné informace o chemických sloučeninách, najít a číst technické manuály pro ovládání robotického laboratorního vybavení, psát počítačové kódy pro provádění experimentů a analyzovat výsledná data k určení, co se ukázalo jako funkční, a co ne.

Jedním z testů byla schopnost Coscientist přesně naplánovat chemické postupy, které by vedly k výrobě běžně používaných látek jako jsou aspirin, paracetamol a ibuprofen. Rozsáhlé jazykové modely byly testovány a porovnávány jednotlivě, včetně dvou verzí GPT s modulem, který umožňoval vyhledávání na internetu pomocí Google, jako by to dělal lidský chemik. Výsledné postupy byly pak hodnoceny na základě toho, zda by vedly k požadované látce, jak detailní byly kroky a další faktory. Některé z nejvyšších hodnocení získal modul GPT-4 s vyhledáváním, který jako jediný vytvořil postup přijatelné kvality pro syntézu ibuprofenu.

Boiko a MacKnight pozorovali, jak Coscientist projevuje „chemické uvažování“, které Boiko popisuje jako schopnost používat informace související s chemií a dříve získané znalosti k řízení vlastních akcí. Používal veřejně dostupné chemické informace zakódované ve formátu Simplified Molecular Input Line Entry System (SMILES) – typu strojově čitelné notace reprezentující chemickou strukturu molekul – a upravoval své experimentální plány na základě konkrétních částí molekul, které zkoumal v datech SMILES. „To je nejlepší možná verze chemického uvažování,“ říká Boiko.

Roboti v Akci: Překládání Teorie do Praxe

V nedávných testech byly do programu Coscientist integrovány softwarové moduly, které umožňují vyhledávat a využívat technické dokumenty popisující rozhraní pro programování aplikací řídících robotická laboratorní zařízení. Tyto testy byly klíčové pro zjištění, zda je Coscientist schopen převést teoretické plány na syntézu chemických sloučenin do počítačového kódu, který by následně mohl řídit laboratorní roboty v reálném světě.

V laboratořích se běžně využívají pokročilá robotická zařízení pro chemii. Tito roboti precizně manipulují s malými vzorky tekutin – nasávají, vytlačují, ohřívají, míchají a vykonávají další operace s mimořádnou přesností. Ovládány jsou počítačovým kódem, který obvykle píší chemici, ať už se nacházejí v téže laboratoři nebo na opačném konci země.

Tento projekt byl prvním pokusem ovládat takové roboty kódem napsaným umělou inteligencí.

Obrázek 2 – Midjourney V6: barevné tabletky na laboratorním stole

Testování nového modelu

Tým začal s Coscientist jednoduchými úkoly. Nejprve měl robotické zařízení pro manipulaci s tekutinami naplnit barevnou kapalinou 96 malých jamkách na destičce uspořádaných do mřížky. Úkoly zněly například „obarvi každý druhý řádek vybranou barvou,“ „vytvoř modrou diagonálu“ a podobně, připomínajíc vzdělávací úkoly z mateřské školy.

Po zvládnutí základů byl Coscientist představen dalším typům robotických zařízení. Spolupracovali s Emerald Cloud Lab, komerčním zařízením plným automatizovaných přístrojů, včetně spektrofotometrů, které měří vlnové délky světla absorbovaného chemickými vzorky. Coscientist dostal úkol analyzovat destičku s tekutinami v červené, žluté a modré barvě a zjistit, jaké barvy jsou přítomné a kde se na destičce nacházejí.

Jelikož Coscientist nemá oči, napsal kód, který roboticky předal záhadnou destičku se vzorky spektrofotometru, aby analyzoval vlnové délky světla absorbovaného v každé jamce. Tím identifikoval, které barvy jsou přítomné a kde se na destičce nacházejí. Pro tento úkol musel tým model trochu nasměrovat, aby více přemýšlel o tom, jak různé barvy absorbují světlo. AI pak dokončila úkol sama.

Cestou do finále

Poslední zkouškou pro Coscientist bylo spojit všechny naučené moduly a splnit příkaz týmu provést Suzukiho a Sonogaširovy reakce, pojmenované po jejich objevitelích Akiru Suzukim a Kenkichi Sonogaširovi. Tyto reakce, objevené v 70. letech, využívají katalýzy kovem palladiem pro vytváření vazeb mezi atomy uhlíku v organických molekulách. Jsou velmi užitečné při vývoji nových léků proti zánětům, astmatu a dalším stavům, a také se používají v organických polovodičích v OLED displejích mnoha smartphonů a monitorů. Tyto průlomové reakce a jejich široký dopad byly formálně uznány Nobelovou cenou, kterou v roce 2010 obdrželi Suzuki, Richard Heck a Ei-ichi Negishi.

Coscientist tyto reakce nikdy předtím nezkoušel, a z toho důvodů se stejně jako my všichni ostatní podíval na internetový portál Wikipedie, aby obdržel potřebné informace.

„Pro mě byl ‚heureka‘ moment, když jsem viděl, jak Coscientist klade všechny správné otázky,“ říká MacKnight, který navrhl softwarový modul umožňující modelu vyhledávat technickou dokumentaci.

Coscientist hledal odpovědi převážně na Wikipedii, ale také na mnoha dalších webech včetně stránek Americké chemické společnosti, Královské společnosti chemie a dalších obsahujících akademické články popisující Suzukiho a Sonogaširovy reakce.

Během méně než čtyř minut navrhl Coscientist přesný postup pro provedení požadovaných reakcí s chemikáliemi poskytnutými týmem. Když se pokusil realizovat svůj postup v reálném světě s roboty, udělal chybu v kódu pro ovládání zařízení, které zahřívá a třepe vzorky tekutiny. Bez jakékoli lidské pomoci Coscientist problém rozpoznal, vrátil se k technickému manuálu zařízení, opravil svůj kód a zkusil to znovu.

Výsledkem bylo několik malých vzorků čiré tekutiny. Boiko analyzoval vzorky a našel spektrální znaky Suzukiho a Sonogaširových reakcí.

Obrázek 3 – Midjourney V6: Opuštěná budova se symbolem červeného kříže

Nová éra výzkumu

Gomes byl nevěřícný, když mu Boiko a MacKnight řekli, co Coscientist dokázal. „Myslel jsem, že si ze mě dělají legraci,“ vzpomíná. „Ale nedělali. A v tu chvíli mi došlo, že máme něco zcela nového a velmi mocného.“

S takovou potenciální silou přichází potřeba moudrého použití a ochrana před zneužitím. Gomes tvrdí, že pochopení schopností a limitů AI je prvním krokem v procesu vytváření informovaných pravidel a politik, které účinně zabrání škodlivému využití AI, ať už záměrnému nebo neúmyslnému.

„Musíme být zodpovědní a promyšlení ohledně toho, jak tyto technologie nasazujeme,“ říká.

Gomes je jedním z několika výzkumníků, kteří poskytují odborné rady a směrnice pro snahy vlády USA zajistit bezpečné a zabezpečené využití AI, jako je například exekutivní příkaz prezidenta Bidena z října 2023 o vývoji AI.

Urychlení objevů, demokratizace vědy

Přirozený svět je prakticky nekonečný ve své velikosti a složitosti, obsahuje nespočet objevů čekajících na objevení. Představte si nové supravodivé materiály, které dramaticky zvyšují energetickou účinnost, nebo chemické sloučeniny, jež léčí dosud neléčitelná onemocnění a prodlužují lidský život. Získání vzdělání a odborné přípravy potřebné k dosažení těchto průlomů však představuje dlouhou a náročnou cestu. Stát se vědcem není snadné.

Gomes a jeho tým vidí řešení v AI asistovaných systémech, jako je Coscientist, které mohou překlenout propast mezi nezkoumanou nezměrností přírody a faktem, že kvalifikovaných vědců je nedostatek – a pravděpodobně vždy bude. A při tom jsou to ti, kteří formují lidskou společnost a posouvají ji kupředu.

Lidští vědci mají také lidské potřeby, jako je spánek a občasné vyjití z laboratoře. Na rozdíl od nich může AI vedená člověkem „myslet“ nepřetržitě, metodicky prozkoumávat každý přenesený kámen a opakovaně ověřovat výsledky svých experimentů z hlediska reprodukovatelnosti. „Můžeme mít něco, co autonomně pracuje na objevování nových jevů, reakcí, nových nápadů,“ říká Gomes.

„Můžete také výrazně snížit vstupní bariéru pro prakticky jakékoli odvětví,“ říká. Například, pokud by biolog neznalý Suzuki reakcí chtěl prozkoumat jejich využití novým způsobem, mohl by požádat Coscientist o pomoc při plánování experimentů.

„Máme tu masivní demokratizaci zdrojů a porozumění,“ vysvětluje.

Věda má iterativní proces zkoušení, selhání, učení se a zlepšování, který může AI výrazně urychlit, říká Gomes. „To samo o sobě bude dramatickou změnou.“

Shrnutí

• Rychlost a Přesnost AI: Coscientist, AI řízený systém, se autonomně naučil a úspěšně provedl Nobelovou cenou oceněné chemické reakce, a to během několika minut a na první pokus.

• Vysoká Složitost a Užití: Coscientist zvládl složité organické chemické reakce, jako jsou palladiové katalyzované křížové spojení, které hrají klíčovou roli ve farmaceutickém průmyslu pro tvorbu životně důležitých léků.

• Technologická Podstata a Možnosti: Coscientist je postaven na rozsáhlých jazykových modelech jako GPT-4 a vybaven softwarovými moduly, umožňujícímu naplánování a provedení experimentálních procedur, jako je výroba běžných léků.

• Praktické Aplikace a Budoucí Směřování: Coscientist překládá teoretické plány do praxe, řídí robotická laboratorní zařízení a provádí komplexní chemické reakce. Projekt ukazuje potenciál AI v urychlení vědeckých objevů a demokratizaci vědy, snižuje bariéry pro vstup do různých vědeckých odvětví.

Zdroj:

• ScienceDaily. (2023b, December 21). Meet “coscientist,” your AI lab partner. ScienceDaily. https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231221012729.htm 

Článek Coscientist multimodel: Revoluce ve vědě a výzkumu je na dohled se nejdříve objevil na Ainovinky.cz.