

AI重塑科學(xué)范式:
一場不可逆轉(zhuǎn)的歷史進(jìn)程
2024年10月,諾貝爾獎委員會做出了一個歷史性的決定——將物理學(xué)獎授予人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的奠基人,化學(xué)獎授予將AI應(yīng)用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)。這是諾貝爾獎同時將兩個獎項(xiàng)頒給AI相關(guān)領(lǐng)域,這一標(biāo)志性事件宣告:AI不僅是技術(shù)工具,更已成為科學(xué)發(fā)現(xiàn)的核心方法。這一宣告并非憑空而來?;赝^去幾年,AI在科學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展令人震撼:
2021年AlphaFold 2大幅壓縮蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測周期,將傳統(tǒng)數(shù)月至數(shù)年的實(shí)驗(yàn)工作縮短至數(shù)小時,現(xiàn)已完成超 2億個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測,重構(gòu)結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究模式;2023年DeepMind GNoME系統(tǒng)擴(kuò)充已知穩(wěn)定材料儲備,從4萬余種提升至42.1萬種,規(guī)模近乎翻十倍。
AI正在重塑科學(xué)發(fā)現(xiàn)的邏輯。
在這場變革中,中國也沒有缺席。2025年8月國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深入實(shí)施“人工智能+"行動的意見》,將“人工智能+科學(xué)技術(shù)"列為首要任務(wù),明確依托AI加速“從0到1"原始創(chuàng)新;同年12月,“十五五"規(guī)劃建議進(jìn)一步提出全面落地“人工智能+"行動,依靠人工智能推動科研范式革新,搶占AI產(chǎn)業(yè)應(yīng)用高地。自上而下的政策雙重加持,為國內(nèi)AI4S產(chǎn)業(yè)發(fā)展掃清制度障礙,行業(yè)正式進(jìn)入高速發(fā)展階段。
AI4S的數(shù)據(jù)基建困境:
高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)瓶頸
當(dāng)AlphaFold 2在數(shù)小時內(nèi)完成傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)生物學(xué)數(shù)年的工作,GNoME將已知穩(wěn)定材料從4萬余種擴(kuò)展至42萬種——這些成果似乎表明AI已準(zhǔn)備好接管科學(xué)發(fā)現(xiàn)。但這種樂觀遮蔽了一個關(guān)鍵前提:數(shù)據(jù)。
深度學(xué)習(xí)模型的性能,根本上取決于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的規(guī)模、質(zhì)量與結(jié)構(gòu)。AlphaFold 2的成功,更多歸功于一個高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施——Protein Data Bank(PDB)歸檔了超過17萬個經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),涵蓋明確的實(shí)驗(yàn)條件、分辨率與驗(yàn)證信息。正是這一數(shù)十年積累的數(shù)據(jù)底座,才讓算法潛力得以釋放。然而,在化學(xué)、材料、催化等物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域,并不存在類似PDB的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)體系??蒲袛?shù)據(jù)呈現(xiàn)兩重困境:
其一,傳統(tǒng)“小農(nóng)經(jīng)濟(jì)"式的數(shù)據(jù)生產(chǎn)與AI的工業(yè)化需求嚴(yán)重錯位。多數(shù)論文只報告“成功實(shí)驗(yàn)",陰性數(shù)據(jù)、失敗條件、細(xì)微合成參數(shù)被系統(tǒng)性篩除。一篇催化劑論文可能給出轉(zhuǎn)化率,卻未必記錄前驅(qū)體滴加速率、攪拌槳形態(tài)、環(huán)境濕度等關(guān)鍵細(xì)節(jié)——而這些恰恰是AI建模所需的潛在變量,數(shù)據(jù)在源頭即不完整。
其二,實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性危機(jī)動搖數(shù)據(jù)可信根基?!禢ature》調(diào)查顯示,超70%的研究者無法復(fù)現(xiàn)他人實(shí)驗(yàn),超50%無法復(fù)現(xiàn)自身實(shí)驗(yàn)。將大量低質(zhì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)“投喂"AI,模型學(xué)到的可能是噪聲而非規(guī)律,預(yù)測結(jié)果難以指導(dǎo)真實(shí)世界。
更深層的矛盾在于:虛擬數(shù)據(jù)無法替代真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)。第一性原理計算、分子動力學(xué)模擬或生成式模型產(chǎn)出的數(shù)據(jù),本質(zhì)上是對現(xiàn)有物理模型的擬合,無法覆蓋未探索的化學(xué)空間,也無法揭示真實(shí)條件下出現(xiàn)的非理想行為、副反應(yīng)或動力學(xué)陷阱。用模擬數(shù)據(jù)訓(xùn)練AI去預(yù)測真實(shí)實(shí)驗(yàn),如同用棋譜訓(xùn)練棋手卻從未讓其觸碰真實(shí)棋盤——棋理可掌握,手感永缺失。
由此,一個長期被忽視的事實(shí)逐漸清晰:AI4S真正的瓶頸,不在算力,也不全在算法,而在于高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匱乏。算力可采購,模型可開源,但結(jié)構(gòu)化、可復(fù)現(xiàn)、變量可控的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),無法從文獻(xiàn)中挖掘,也無法在虛擬世界中生成——它只能通過真實(shí)、標(biāo)準(zhǔn)、高通量的物理實(shí)驗(yàn)來規(guī)?;a(chǎn)。
這一認(rèn)識正將全球科研界的注意力從“如何讓AI更強(qiáng)"轉(zhuǎn)向“如何讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更好"。如果說AI是引擎,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就是燃料。沒有高品位的燃料,引擎也無法驅(qū)動科學(xué)前行。要填補(bǔ)這一缺口,就必須建立能規(guī)模化產(chǎn)出高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的硬件體系——這正是高通量自動化實(shí)驗(yàn)室存在的根本理由。
全球?qū)W術(shù)界的探索:
自主實(shí)驗(yàn)室的興起
全球科研機(jī)構(gòu)早已察覺實(shí)驗(yàn)端滯后帶來的行業(yè)痛點(diǎn),持續(xù)推進(jìn)自主智能實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研發(fā)。2025年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)江俊、劉道彬團(tuán)隊(duì)于《Digital Discovery》刊發(fā)里程碑綜述,系統(tǒng)梳理國內(nèi)自主實(shí)驗(yàn)室發(fā)展脈絡(luò),將技術(shù)演進(jìn)劃分為三個清晰階段:
第一階段:迭代算法驅(qū)動的自動化平臺(2018年起)
2018年,中國的智能化學(xué)機(jī)器人系統(tǒng)AIR-Chem由朱熹團(tuán)隊(duì)發(fā)布,通過梯度下降算法迭代優(yōu)化CsPbBr?量子點(diǎn)合成條件。此后,高通量實(shí)驗(yàn)與機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合進(jìn)一步提速。Fang等人利用液芯波導(dǎo)技術(shù)構(gòu)建微流控光催化反應(yīng)器,實(shí)現(xiàn)每天高達(dá)10000個反應(yīng)的超大規(guī)模篩選。Zhao等人開發(fā)的機(jī)器人平臺可自動合成膠體納米晶,通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)納米晶形貌的逆向設(shè)計。這一階段的特征是:算法初步介入實(shí)驗(yàn),但AI與實(shí)驗(yàn)之間仍是松耦合關(guān)系。
第二階段:計算“大腦"驅(qū)動的迭代自主實(shí)驗(yàn)(2021年起)
純數(shù)據(jù)驅(qū)動的黑箱優(yōu)化缺乏系統(tǒng)性先驗(yàn)知識,探索效率有限。將第一性原理計算與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合,成為提升可解釋性與效率的關(guān)鍵突破。江俊團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的“全能AI化學(xué)家"(AI-Chemist)系統(tǒng),集成機(jī)器閱讀、移動機(jī)器人與計算大腦三大模塊,實(shí)現(xiàn)了文獻(xiàn)閱讀→理論計算→實(shí)驗(yàn)規(guī)劃→自動執(zhí)行→數(shù)據(jù)分析→模型訓(xùn)練→新方案生成的完整閉環(huán)。其擴(kuò)展應(yīng)用令人震撼:系統(tǒng)自動合成析氧反應(yīng)(OER)催化劑,從超過300萬種潛在組合中,僅用約30000個理論數(shù)據(jù)集和243個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集,就確定了催化劑配方,在10 mA cm?2電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過550000秒。這一階段的標(biāo)志是:AI從“輔助工具"升級為“驅(qū)動大腦",形成了“預(yù)測—制備—測量"的閉環(huán)發(fā)現(xiàn)回路。
第三階段:大模型驅(qū)動的端到端智能自主系統(tǒng)(2023年起)
大語言模型的興起,為實(shí)現(xiàn)真正意義上的端到端自主化學(xué)研究提供了新的可能。Ruan等人構(gòu)建的LLM-RDF框架,以有氧醇氧化為示范,驗(yàn)證了大語言模型代理在端到端合成開發(fā)全流程中的適用性。Song等人的ChemAgents系統(tǒng)更進(jìn)一步,基于Llama-3-70B大模型構(gòu)建層級多智能體架構(gòu),支持百萬級文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫、150套實(shí)驗(yàn)協(xié)議庫、2臺機(jī)器人與20個自動化工位、130個機(jī)器學(xué)習(xí)模型的協(xié)同調(diào)度。至此,AI驅(qū)動的自主實(shí)驗(yàn)室從概念走向了現(xiàn)實(shí)。
行業(yè)現(xiàn)存核心矛盾:
實(shí)驗(yàn)體系與 AI 算力存在能力斷層
盡管學(xué)術(shù)界已完成多代自主實(shí)驗(yàn)室技術(shù)迭代,可產(chǎn)業(yè)端、常規(guī)科研場景仍深陷AI算力與實(shí)驗(yàn)實(shí)操嚴(yán)重脫節(jié)的矛盾。AI大模型、計算系統(tǒng)可在短時間內(nèi)批量輸出海量候選配方、新材料結(jié)構(gòu)、催化反應(yīng)路徑,動輒一次性生成數(shù)百、上萬組待驗(yàn)證方案,但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無力承接規(guī)?;瘜?shí)測任務(wù)。
人工操作模式下,單次實(shí)驗(yàn)僅能同步開展少量反應(yīng),試劑調(diào)配、樣品制備、產(chǎn)物檢測、數(shù)據(jù)記錄全依靠人工手動完成,單批次驗(yàn)證數(shù)十組AI預(yù)測方案就要耗費(fèi)數(shù)周甚至數(shù)月;人工操作帶來的人為誤差、環(huán)境干擾、操作標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,進(jìn)一步造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)零散、重復(fù)度低、標(biāo)準(zhǔn)化缺失,大量由AI生成的優(yōu)質(zhì)預(yù)測思路無法落地驗(yàn)證,只能停留在理論模擬層面。
一邊是AI計算端極速迭代、海量候選方案持續(xù)產(chǎn)出,另一邊是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)端低效、離散、低通量的人工操作體系,二者速率、產(chǎn)能、標(biāo)準(zhǔn)化程度形成巨大斷層,“算力跑得快,實(shí)驗(yàn)跟不上"成為全行業(yè)共性痛點(diǎn),也直接制約AI4S技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究走向規(guī)?;a(chǎn)業(yè)應(yīng)用。只有搭建高通量、自動化、可自主閉環(huán)運(yùn)行的AI驅(qū)動實(shí)驗(yàn)室,補(bǔ)齊實(shí)驗(yàn)端硬件短板,才能打通AI科學(xué)研發(fā)全鏈路。
高通量自動化實(shí)驗(yàn)平臺:
打通AI4S落地的核心硬件載體
AI自驅(qū)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建:
從硬件集成到自主迭代
AI自驅(qū)實(shí)驗(yàn)室的本質(zhì),并非簡單地將自動化設(shè)備與AI算法拼裝在一起,而是構(gòu)建一個具備自主假設(shè)生成、智能實(shí)驗(yàn)設(shè)計驗(yàn)證、閉環(huán)迭代優(yōu)化能力的科學(xué)研究新范式。其核心架構(gòu)由三大模塊構(gòu)成——AI智能決策系統(tǒng)、高通量自動化實(shí)驗(yàn)平臺、私有數(shù)據(jù)庫——三者之間形成“設(shè)計-執(zhí)行-評估-再設(shè)計"的閉環(huán)耦合關(guān)系,使實(shí)驗(yàn)室能夠以最小的人工干預(yù)持續(xù)產(chǎn)出高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與科學(xué)認(rèn)知。
AI智能決策系統(tǒng)是整個自驅(qū)實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)知與決策中樞。它承擔(dān)的核心任務(wù)是從多維工藝參數(shù)空間中精準(zhǔn)探明“合成參數(shù)—性能指標(biāo)"之間的內(nèi)在映射關(guān)系,并基于此開展全局智能尋優(yōu)。具體而言,該系統(tǒng)利用XGBoost、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林等回歸與分類模型對數(shù)據(jù)庫中的工藝參數(shù)與性能指標(biāo)進(jìn)行建模訓(xùn)練,建立可靠的性能預(yù)測模型;隨后通過貝葉斯優(yōu)化、遺傳算法、粒子群算法等全局優(yōu)化策略,在多維參數(shù)空間內(nèi)自動搜索并輸出滿足性能目標(biāo)的配方與制備工藝參數(shù)。
高通量自動化實(shí)驗(yàn)平臺則扮演著物理執(zhí)行者的角色。它依托高通量制備與性能評價裝置,實(shí)現(xiàn)材料的自動化平行制備與性能測試,可同步開展批量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該平臺能夠?qū)I決策系統(tǒng)輸出的參數(shù)向量——包括試劑類型、用量、制備工藝條件等——精確轉(zhuǎn)化為連續(xù)的物理操作流,并同步采集實(shí)驗(yàn)全程的多模態(tài)傳感數(shù)據(jù),快速生成完整、可重復(fù)、具備橫向?qū)Ρ刃缘母哔|(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。持續(xù)以海量標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)迭代優(yōu)化 AI 決策模型,持續(xù)提升智能系統(tǒng)的預(yù)測與推演能力。
私有數(shù)據(jù)庫構(gòu)成了整個實(shí)驗(yàn)室的知識記憶層。它將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與AI文獻(xiàn)數(shù)據(jù)搜集相結(jié)合,將實(shí)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化的特征參數(shù)——如試劑類型、用量、工藝條件等——形成結(jié)構(gòu)化的制備工藝參數(shù)庫。該數(shù)據(jù)庫通過持續(xù)實(shí)驗(yàn)反饋實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)迭代升級,每次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)回傳后,數(shù)據(jù)庫不斷豐富,為模型更新提供持續(xù)支撐。依托自有高通量設(shè)備生成的實(shí)測私有數(shù)據(jù)是企業(yè)核心數(shù)字資產(chǎn),兼具顯著技術(shù)與經(jīng)濟(jì)價值:可大幅削減重復(fù)實(shí)驗(yàn)耗材、人力研發(fā)成本,縮短新品開發(fā)周期;專屬工藝數(shù)據(jù),構(gòu)筑同業(yè)難以復(fù)制的競爭壁壘;完整溯源記錄支撐申報與合規(guī)審查,保護(hù)企業(yè)技術(shù)知識產(chǎn)權(quán);統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)測樣本持續(xù)驅(qū)動智能算法迭代,不斷提升工藝優(yōu)化效率,長期放大數(shù)字化研發(fā)投入回報。該數(shù)據(jù)庫通過持續(xù)實(shí)驗(yàn)反饋實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)迭代升級,每次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)回傳后,數(shù)據(jù)庫不斷豐富,為模型更新提供持續(xù)支撐。
三大模塊之間的聯(lián)動構(gòu)成了自驅(qū)實(shí)驗(yàn)室的核心運(yùn)行邏輯。冷啟動階段,AI決策系統(tǒng)生成第一批覆蓋參數(shù)空間的實(shí)驗(yàn)方案,交由高通量自動化平臺執(zhí)行批量驗(yàn)證,并將產(chǎn)出數(shù)據(jù)存入私有數(shù)據(jù)庫。此后每新增一條實(shí)驗(yàn)記錄,即觸發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的增量更新——回歸與分類模型重新對擴(kuò)增后的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模訓(xùn)練,預(yù)測精度隨之提升;隨后全局優(yōu)化算法在更新后的模型基礎(chǔ)上開展新一輪尋優(yōu),輸出新的配方,再次交由自動化平臺驗(yàn)證。這一“實(shí)驗(yàn)—數(shù)據(jù)—建?!獙?yōu)—再實(shí)驗(yàn)"的閉環(huán)在無人干預(yù)下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。若執(zhí)行過程中傳感器實(shí)時回傳的數(shù)據(jù)觸發(fā)異常,系統(tǒng)還可越過預(yù)設(shè)方案實(shí)時調(diào)整參數(shù)或提前終止反應(yīng),避免無效數(shù)據(jù)污染模型訓(xùn)練。
將三大模塊整合為完整系統(tǒng)之后,自驅(qū)實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的本質(zhì)區(qū)別體現(xiàn)在三個層面:決策主體上,研究者從“操作者"轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳繕?biāo)定義者",實(shí)驗(yàn)設(shè)計、參數(shù)調(diào)整全部由算法自主完成;知識積累上,研究經(jīng)驗(yàn)不再依附于個人,而是編碼于數(shù)據(jù)庫與模型參數(shù)之中,隨實(shí)驗(yàn)輪次增加而系統(tǒng)性增長;時間尺度上,傳統(tǒng)以周或月為單位的迭代周期被壓縮至小時級。
回顧AI4S高通量自動化實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展脈絡(luò),一條清晰的演進(jìn)主線貫穿始終:從AI輔助科研的早期探索,到數(shù)據(jù)瓶頸的凸顯,再到自主實(shí)驗(yàn)室的興起,核心矛盾始終指向?qū)嶒?yàn)?zāi)芰εcAI算力之間的斷層,而這一斷層正由高通量自動化實(shí)驗(yàn)平臺逐步彌合,AI自驅(qū)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建則標(biāo)志著從“機(jī)器換人"邁向“AI自主驅(qū)動科學(xué)發(fā)現(xiàn)"的新范式。隨著基礎(chǔ)模型與開放生態(tài)的持續(xù)進(jìn)化,AI自驅(qū)實(shí)驗(yàn)室有望成為下一代科研基礎(chǔ)設(shè)施的核心形態(tài),讓科學(xué)發(fā)現(xiàn)從“人類主導(dǎo)"走向“人機(jī)協(xié)同",重新定義探索未知的效率與邊界。
