كيف يحدث الذكاء الاصطناعي والطباعة الثلاثية الأبعاد ثورة في الكيمياء الحديثة؟
© Photo / Unsplash/ Jefferson Santos
تابعنا عبر
يساعد الذكاء الاصطناعي الكيميائيين على اكتشاف التفاعلات، وتحليل مجموعات البيانات الضخمة، ودراسة المجتمعات البكتيرية، بينما تتيح الطباعة الثلاثية الأبعاد للمختبرات تصنيع كبسولات كيميائية أكثر أمانًا ومفاعلات معقدة في غضون أيام.
ويؤكد الأكاديمي فالنتين أنانيكوف أن هذه التقنيات لا تغني عن العلماء، بل تؤسس لشكل جديد من الكيمياء تتكامل فيه المعرفة البشرية والأدوات الرقمية والتحقق التجريبي.
لماذا تحتاج الكيمياء إلى أدوات رقمية؟
لقد نجح الإنسان في تركيب ما يقارب 100 مليون جزيء مختلف، ما أدى إلى تراكم كمٍ هائل من المعرفة الكيميائية التي يصعب البحث فيها وتحليلها يدويًا.
بدأ أول تحول رقمي كبير في الكيمياء عندما تم تحويل المجلدات المرجعية المطبوعة إلى قواعد بيانات إلكترونية قابلة للبحث، ثم توسعت قواعد البيانات النصية الكاملة، وعمليات البحث الهيكلي، والأطياف الجزيئية لاحقًا لتشمل ما يمكن للعلماء استرجاعه، بينما فتح الانتشار السريع للذكاء الاصطناعي بعد عام 2020 مرحلة جديدة: حيث بات بإمكان الآلات الآن المساعدة في تحويل المعلومات الموجودة إلى معرفة علمية جديدة.
الميزة الرئيسية هي السرعة، تستطيع الأجهزة الكيميائية توليد معلومات أكثر بكثير مما يستطيع الباحثون تحليله، ووفقًا لأنانيكوف، قد لا يحلل العلماء سوى 10% تقريبًا من البيانات التجريبية التي يجمعونها، تاركين الباقي دون استخدام، ويمكن لجهاز مطياف الكتلة الواحد إنتاج بيانات لمدة ثماني ساعات، وهو ما يتطلب حوالي أربع سنوات من المعالجة اليدوية التقليدية، بينما تستطيع شبكة عصبية مدربة ومُدققة جيدًا إتمام التحليل في أقل من ساعة.
خبير رقمي مساعد في اكتشاف التفاعلات
طور فريق أنانيكوف مفهوم الخبير الرقمي المساعد، حيث يتولى الذكاء الاصطناعي مراحل البحث التي تستهلك وقتًا أو موارد كبيرة، بينما يبقى العالم مسؤولاً عن تحديد المهمة، واختيار الأدوات، والتحقق من النتائج.
يستغرق إيجاد تفاعل كيميائي جديد وتحسينه عادةً ما بين سنة وثلاث سنوات، وباستخدام خبيرهم الرقمي المساعد، اختصر الباحثون عملية بحث واحدة إلى أسبوعين تقريبًا، أسبوع لتحليل البيانات واختيار التفاعل بشكل مشترك بين الإنسان والذكاء الاصطناعي، يليه أسبوع آخر من التجارب المخبرية للتأكد من نجاح التفاعل.
تضمنت العملية المكتشفة تفاعل إضافة حلقية من نوع ديلز-ألدر، وهو نوع شائع من التفاعلات الكيميائية التي تتحد فيها مكونات بسيطة لتكوين جزيء حلقي، وتعدّ هذه التفاعلات مهمة في إنتاج المواد الصيدلانية، والمركبات النشطة بيولوجيًا، والمواد الوسيطة الصناعية، والمواد المتقدمة.
يبيّن هذا المثال أيضًا أهمية التحقق البشري، فبينما يستطيع الذكاء الاصطناعي تحديد التفاعلات الواعدة، لا يزال على الكيميائيين إجراء التجربة والتأكد من تكوّن الناتج المتوقع بالخصائص المطلوبة.
الذكاء الاصطناعي قادر على تحليل بيانات يعجز البشر عن معالجتها بمفردهم
طوّر المختبر أيضًا شبكات عصبية لتحليل أطياف الكتلة وصور المجهر الإلكتروني. تسرّع هذه الأنظمة معالجة البيانات عشرات آلاف المرات، وقد تساعد العلماء على استخلاص معلومات قيّمة من الكم الهائل من البيانات التجريبية "الخاملة" التي تجمع دون دراسة كاملة.
يطبّق أحد المشاريع الذكاء الاصطناعي على الأغشية الحيوية البكتيرية، وهي تجمعات منظمة تشكّل فيها الكائنات الدقيقة طبقات واقية وتكتسب مقاومة أكبر للمضادات الحيوية. يسمح المجهر التقليدي للباحثين بدراسة مئات أو آلاف المكونات البكتيرية يدويًا. تستطيع الخوارزمية الجديدة تحليل مئات الآلاف من الخلايا، ومقارنة أشكالها وحالاتها، وتقييم كيفية استجابة أجزاء مختلفة من الغشاء الحيوي للمعالجة الكيميائية.
كما يمثل الباحثون الغشاء الحيوي كشبكة مترابطة بدلاً من مجموعة من الخلايا المنفصلة، قد يساعد هذا النهج في الكشف عن كيفية تنظيم المجموعات البكتيرية وأي التراكيب يصعب التأثير عليها، ما يدعم الأبحاث المستقبلية في مجال مقاومة المضادات الحيوية.
تستطيع أنظمة الذكاء الاصطناعي الأخرى التي طورها الفريق تحديد الصيغة الجزيئية للمادة من صور المجهر الإلكتروني عند وجود أنماط هيكلية مميزة. وقد تم تدريب شبكة عصبية أخرى باستخدام 300 ألف مقارنة أجراها نحو 50 كيميائيًا متخصصًا في التركيب، ما سمح لها بمحاكاة عناصر من الحدس الخبير وإسناد تقديرات عددية للتعقيد الجزيئي.
ثلاثة أدوار للذكاء الاصطناعي - وعالم واحد مسؤول
يقسم أنانيكوف الذكاء الاصطناعي العلمي إلى ثلاثة مستويات، يقوم مساعد الذكاء الاصطناعي بمهام تقنية مثل البحث في المراجع، وترجمة النصوص، واستخلاص المعلومات. ويقوم محلل الذكاء الاصطناعي بمعالجة نتائج التجارب، بما في ذلك الأطياف وصور المجهر. أما باحث الذكاء الاصطناعي فيشارك في صياغة الفرضيات والتخطيط العلمي الاستراتيجي.
جميعهم معرضون للخطأ. لهذا السبب، لا يمكن اعتبار الذكاء الاصطناعي مؤلفًا علميًا أو جهة مسؤولة عن نتائج البحث،يجب على العالم مراجعة الخوارزمية، وتصحيحها عند الضرورة، وتحمل مسؤولية النتيجة النهائية. كما يجب على الباحثين الإفصاح عن الأدوات الرقمية المستخدمة، وسبب استخدامها، ودورها في العمل.
لذا، فإن السؤال المحوري ليس متى سيحل الذكاء الاصطناعي محل الكيميائي، يتوقع أنانيكوف أن يظل الاستبدال المادي غير مرجح خلال السنوات الخمس إلى السبع المقبلة بسبب القيود المنهجية والروبوتية، ويكمن التحدي العملي الأكبر في تدريب الباحثين على استخدام الذكاء الاصطناعي بفعالية مع الحفاظ على الحكم العلمي والتحكم التجريبي.
الطباعة الثلاثية الأبعاد تجعل الكيمياء أسرع وأكثر أمانًا
يغير التحول الرقمي أيضًا المختبر المادي. طوّر فريق أنانيكوف كبسولات مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، قادرة على احتواء كميات محددة من المواد الكيميائية الخطرة. عند وضعها في قارورة التفاعل، تذوب الكبسولة في المذيب وتُطلق محتوياتها دون الحاجة إلى وزن المادة الخطرة أو التعامل معها مباشرةً. ويمكن استعادة البلاستيك المتبقي وإعادة استخدامه.
يمكن في المستقبل طباعة هذه الكبسولات وتعبئتها وإغلاقها تلقائيًا، مما يسمح للمختبرات باستلام الكواشف الخطرة في وحدات مُقاسة مسبقًا، على غرار الأقراص في عبواتها البلاستيكية.
كما يقوم الباحثون بطباعة مفاعلات كيميائية كاملة ذات قنوات وأنظمة داخلية معقدة للتخليق والتنقية والتقطير والتحليل المحدود، ويمكن تصميم نماذج يصعب أو يُكلف أو يستحيل تصنيعها بالطرق التقليدية باستخدام الحاسوب، ثم إنتاجها في غضون أيام قليلة.
ويمكن طباعة المفاعلات الأبسط من بلاستيك مقاوم للمواد الكيميائية، بينما يمكن تصنيع الأنظمة المعقدة من الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام تقنية التلبيد بالليزر. تُمكّن الطباعة السريعة الكيميائيين من اختبار النماذج الأولية قبل توسيع نطاق العملية للاستخدام العملي، مما يُسرّع الانتقال من البحث الأساسي إلى التكنولوجيا التطبيقية.
قد يقود الضوء ثورة كيميائية كبرى قادمة
يسلط أنانيكوف الضوء أيضًا على الكيمياء الضوئية والتحفيز الضوئي باعتبارهما مجالين سريعي التطور. يمتص المحفز الضوئي الضوء ويدخل في حالة إثارة، ما يسمح له بنقل الإلكترونات وبدء التحولات الكيميائية. يمكن الآن إجراء تفاعلات قد تتطلب درجات حرارة تصل إلى مئات الدرجات باستخدام الضوء ومحفز مناسب، وذلك في درجة حرارة الغرفة.
يسهم الذكاء الاصطناعي والتحليل الآلي والطباعة الثلاثية الأبعاد والتحفيز الضوئي مجتمعةً في تغيير طريقة تخطيط وتنفيذ التجارب الكيميائية. يتوقع من الكيميائي المعاصر بشكل متزايد ليس فقط فهم الجزيئات والتفاعلات، بل أيضًا العمل مع البيانات، وتصميم الأدوات الرقمية، وتصنيع المعدات التجريبية، والتحقق من صحة الأفكار المُولّدة آليًا في المختبر.
المصدر: | بوابة روسيا العلمية |
