Der automatische Chemiker

STZ, August 2022 - Die chemische Forschung ist ein mühsames Geschäft. Die Entwicklung neuer Materialien nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum ist langwierig und teuer. Forscher von IBM Research in Rüschlikon wollen die Chemieforschung mit einem KI-gesteuerten Roboterlabor beschleunigen.

Es gibt Bereiche, in denen werden Computer den Menschen nie ersetzen. Die Wissenschaft zum Beispiel. Neue Materialen erforschen, neue Moleküle erschaffen und damit neue Substanzen herstellen, zum Beispiel Medikamente. Dafür braucht es Menschen. Chemiker, die ihr Metier jahrelang studiert haben, und nach der altbewährten Methode «Versuch, Irrtum, erneuter Versuch» in ihren Laboren so lange mischen, erhitzen und reagieren lassen, bis sie den gewünschten Stoff endlich hergestellt haben. Was können Computer da schon ausrichten?

Eine Menge. Das sagen zumindest Alain Vaucher und Teo Laino. Die beiden Chemiker forschen bei IBM Research in Rüschlikon. Zusammen mit weiteren IBM-Forscherinnen und Forschern haben Vaucher und Laino den «RoboRXN» erfunden – eine Art automatischen Chemiker. IBM selbst bezeichnet den RoboRXN als «cloudbasiertes und von Künstlicher Intelligenz gesteuertes Labor, das einen Grossteil der Materialsynthese effizient automatisiert ».

Kuchenbacken ohne Rezept
Der 31-jährige Vaucher, der vom Magazin «MIT Technology Review» gerade erst als einer der 35 Top-Innovatoren unter 35 Jahren gekürt wurde, vergleicht die Chemie mit dem Kuchenbacken. Wer beispielsweise einen Apfelkuchen herstellen will, aber noch kein Rezept dafür hat, könnte einen fertigen Kuchen nachkonstruieren. Der noch unwissende Bäcker muss herausfinden, welche Zutaten im Apfelkuchen stecken und mit welchem Prozess er diese Zutaten zu einem Kuchen verarbeiten kann. Da aber im fertigen Backwerk weder die Zutaten noch der Prozess unmittelbar erkennbar sind, bleibt dem Möchtegern- Bäcker nur eine Möglichkeit: Ausprobieren. Theoriekenntnisse und Erfahrungen mit dem Backen anderer Kuchen helfen dabei, den Kreis der möglichen Zutaten einzuschränken und aussichtsreiche Prozesse (z.B. Backen) auszuprobieren.

Vor einem ähnlichen Problem stehen Chemiker, die ein neues Molekül herstellen wollen. Welche Substanzen können dafür verwendet werden und mit welcher Reaktion führt man das gewünschte Ergebnis herbei? Dieses Problem zu lösen, sei alles andere als einfach, erklärt Alain Vaucher. Ein Mensch brauche jahrelange Erfahrung, um aus einer endlosen Vielzahl von Ausgangsstoffen und Prozessen aussichtsreiche Kandidaten auszuwählen.

Neue Stoffe per KI und Roboter
Vaucher und seine Kollegen haben deshalb ein cloudbasiertes System entwickelt, das diese Aufgabe übernimmt. Forscher können ihr Zielmolekül in die IBM RoboRXN-Cloud hochladen. Ein KI-Modell, das auf über drei Millionen chemische Reaktionen trainiert wurde, zerlegt das Molekül in eine Reihe von Reaktionen und Inhaltsstoffen. Das KIModell stellt fest, ob die erforderlichen Inhaltsstoffe im Handel erhältlich sind. Ist dies nicht der Fall, werden die Zutaten so lange weiter aufgeschlüsselt, bis man zu allgemein verfügbaren Komponenten kommt. Das Modell zeigt auch mehrere mögliche Kombinationen von Zutaten und Sequenzen an, aus denen die Wissenschaftler auswählen können. Sobald das Rezept fertig ist, übersetzt die KI-Engine es in eine Reihe von detaillierten Schritten, die über die Cloud an ein autonomes Roboterlabor zur Ausführung gesendet werden. Die Wissenschaftler können die Synthese aus der Ferne überwachen und die Ergebnisse mit automatisierten Online-Analyseinstrumenten überprüfen.

Nach den Anwendungsmöglichkeiten von RoboRXN gefragt, sagt Alain Vaucher: «Es geht darum, die Forschung zu beschleunigen.» Zwar gebe es in der Chemie auch Automation, aber bei der Entwicklung neuer Substanzen sei die eben noch nicht sehr verbreitet. Bei bisherigen Systemen sei die Bedienung viel umständlicher und der Arbeits- und Zeitaufwand, beispielsweise für das Einrichten des Roboters oftmals so hoch, dass es für die Forscher einfacher sei, den Prozess selbst von Hand durchzuführen.

 

«Diese Technologie verwandelt die Chemie von einer Labortätigkeit in ein Hightech-Business.»

Teo Laino, IBM Research

Wieder mehr Forschung in der Schweiz?
«Die RoboRXN-Technologie verwandelt die Chemie von einer traditionellen Labortätigkeit in ein Hightech-Business», ergänzt Vauchers Kollege Teo Laino. Bisher benötige man für die Entwicklung eines einzigen neuen Materials etwa 10 Jahre und 10 Millionen Dollar vom Designkonzept bis zur Marktreife. «Das ist eine Zeit, die wir uns nicht leisten können. Besonders in Situationen, in denen wir bedrohliche Krankheiten haben, die die gesamte Menschheit betreffen», so Laino weiter.

Die Nutzung von KI-basierten Systemen wie dem RoboRXN sei besonders für die chemische und pharmazeutische Industrie in der Schweiz interessant, meint Laino. Denn inzwischen seien die Unternehmen dazu übergegangen, auch die teure Forschung in andere – vor allem fernöstliche – Länder auszulagern. Wenn die Forschung aber anderswo stattfindet, dann geht auf Dauer auch das Know-how verloren, meint Teo Laino. «Diese Technologie kann dazu beitragen, diesen Trend umzukehren», so der IBM-Forscher. Es gebe in der Chemieindustrie bereits konkrete Pläne, aufbauend auf der RoboRXN-Technologie, Forschungsaktivitäten zurück in die Schweiz zu holen.

 

Autor: Hendrik Thielemann
Bildquellen: IBM Research
Artikel aus der STZ: Ausgabe August 2022

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