Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben het proces van molecuulsynthese geautomatiseerd. De op AI gebaseerde robot RoboChem die zij ontwikkelden, is sneller en beter dan zijn menselijke collega’s. 

 

Zoekt u een labmedewerker die snel, nauwkeurig en vindingrijk is en onvermoeibaar dag en nacht doorwerkt om nieuwe moleculen te ontwikkelen, zoals medicijnen, landbouwchemicaliën of andere grondstoffen? Wellicht moet u dan eens een bezoek brengen aan de Universiteit van Amsterdam.

Het Van ’t Hoff Institute for Molecular Science van deze universiteit ontwikkelde een autonome robot voor chemische synthese – dus een zelfstandige robot die meehelpt met het ontwikkelen van nieuwe moleculen. RoboChem, noemden de onderzoekers dit op machine learning gebaseerde apparaat.

Op 25 januari verschenen de eerste resultaten van deze machinale chemicus in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

 

Flowchemie

RoboChem werkt niet met pipetten en reageerbuizen, maar maakt gebruik van een combinatie van fotokatalyse en flowchemie.

Bij flowchemie worden de stoffen die met elkaar moeten gaan reageren door een systeem van buisjes gepompt, die op sommige plekken bij elkaar komen. Bij RoboChem zuigt een robotnaald de uitgangsstoffen op en mengt ze, waarna ze door zeer dunne, flexibele slangetjes door de fotochemische reactor worden geleid. Daar reageren de stoffen met elkaar, onder invloed van het licht van een ledlamp (de fotokatalyse). Het gaat telkens om slechts 650 microliter vloeistof.

Vervolgens wordt het reactiemengsel geanalyseerd – in de huidige opstelling door een NMR (nuclear magnetic resonance) spectrometer. Dat is een apparaat waarin atoomkernen onder invloed van een magnetisch veld elk op een eigen, kenmerkende manier gaan resoneren en zo kunnen worden herkend. Daarna gaan de resultaten naar de computer.

 

Algoritme

Hier vindt het denkwerk van de robot plaats: de computer beslist, op basis van een machine learning algoritme, welke aanpassingen er nodig zijn om de reactie verder te optimaliseren, en een zo hoog mogelijke opbrengst en productiviteit te bereiken. Het gaat daarbij bijvoorbeeld om aanpassingen in de concentraties van de startoplossing en de duur en intensiteit van de belichting.

 

Naar aanleiding van de belsuiten van het algoritme worden steeds kleine aanpassingen gedaan, waarna de reactie en analyse zich herhaalt. Credits: Van't Hoff Institute for Molecular Sciences, UvA

 

Mens en machine

RoboChem heeft nog wel mensen nodig om zijn werk te kunnen doen, vertelt Timothy Noël, teamleider van de onderzoeksgroep die de robot ontwikkelde. ‘Een menselijke chemicus stelt de basisoplossingen samen waarmee een experiment begint, en bepaalt het ‘chemische domein’ – de randvoorwaarden waarin RoboChem experimenteert. Vervolgens doet RoboChem aanpassingen aan parameters zoals reactietijd, lichtintensiteit, concentratie, verhoudingen van de verschillende stoffen in de startoplossing en de katalysator, en verandert zo het recept tot dat optimaal is.’

Uiteindelijk doet RoboChem in een week waar een promovendus maanden over zou doen, en in 80 procent van de gevallen nog met een betere uitkomst ook, zegt Noël in een persbericht van de UvA.

 

Controle

Om de resultaten van RoboChem te verifiëren, werden de experimenten die uit de Science-publicatie handmatig gecontroleerd. Ook herhaalden de onderzoekers met RoboChem de experimenten van vier eerdere publicaties.

Om echte doorbraken te forceren, registreert RoboChem niet alleen de succesvolle eindproducten, maar ook de tussenstappen en missers. Dat levert een database op die inzicht kan geven in het reactiesysteem en de moleculen.

 

Toekomst

Nieuwe moleculen zijn er nog niet uit de experimenten gerold, zegt Noël. ‘Onze focus ligt momenteel op het optimaliseren en schalen van bestaande chemische reacties. We zijn momenteel nog niet actief op zoek naar nieuwe moleculen of reacties. Maar wie weet wat de toekomst brengt!’

 

Openingsbeeld: Reacties worden in RoboChem uitgevoerd in volumes van slechts 650 microliter die door kleine slangetjes stromen.Credits: Van ’t Hoff Institute for Molecular Science, UvA