Coscientist, così l’intelligenza artificiale ha appreso in pochi minuti alcune reazioni chimiche premiate con il Nobel

Un sistema basato sull’intelligenza artificiale ha concluso con successo la pianificazione e l’esecuzione di esperimenti di chimica del mondo reale, dimostrando l’enorme potenziale nell’assistere gli scienziati umani nella scoperta di nuovi risultati scientifici e in maniera più veloce. Infatti, in meno tempo di quanto ci vorrà per leggere questo articolo, un sistema guidato dall’intelligenza artificiale è stato in grado di apprendere autonomamente alcune reazioni chimiche premiate con il Nobel e progettare una procedura di laboratorio di successo per realizzarle. Il tutto in pochi minuti, riuscendo al primo tentativo.

“Questa è la prima volta che un’intelligenza non organica ha pianificato, progettato ed eseguito questa complessa reazione inventata dagli umani”, afferma Gabe Gomes, chimico e ingegnere chimico della Carnegie Mellon University, che ha guidato il team di ricerca responsabile del sistema IA. Il loro prodotto è stato denominato “Coscientist”. Le reazioni più complesse eseguite da Coscientist sono conosciute in chimica organica come accoppiamenti incrociati catalizzati dal palladio, che sono valse ai loro inventori umani il Premio Nobel per la Chimica nel 2010. Pubblicato sulla rivista Nature, il sistema Coscientist dimostra il potenziale per gli esseri umani di utilizzare in modo produttivo l’IA per accelerare il ritmo e il numero delle scoperte scientifiche, migliorando anche la replicabilità e l’affidabilità dei risultati sperimentali.

Il team di ricerca, composto da quattro persone, include i dottorandi Daniil Boiko e Robert MacKnight, i quali hanno ricevuto supporto e formazione rispettivamente dai Centri della National Science Foundation per la Sintesi Chemoenzimatica presso la Northwestern University e per la Sintesi Assistita da Computer presso l’Università di Notre Dame. Oltre alle sintesi chimiche dimostrate dal sistema, Gomes e il suo team hanno sintetizzato con successo una sorta di partner di laboratorio iperefficiente. “Hanno messo insieme tutti gli elementi, e il risultato finale è molto più della somma delle sue parti, può essere utilizzato per scopi scientifici genuinamente utili”, afferma David Berkowitz, Direttore della Divisione di Chimica della National Science Foundation.

La creazione di Coscientist impiega sofisticati modelli linguistici e parti basate su silicio, costituendo le “menti” artificiali del sistema. Boiko, responsabile dell’architettura generale di Coscientist e dei suoi compiti sperimentali, spiega che il team ha suddiviso tutti i compiti scientifici in piccoli pezzi, costruendo poi l’immagine completa pezzo per pezzo. I moduli software consentono a Coscientist di svolgere compiti simili a quelli degli scienziati di ricerca: cercare informazioni pubbliche su composti chimici, trovare e leggere manuali tecnici su come controllare attrezzature da laboratorio robotiche, scrivere codice informatico per eseguire esperimenti ed analizzare i dati risultanti per determinare cosa ha funzionato e cosa no.

Il sistema ha dimostrato abilità di “ragionamento chimico”, utilizzando informazioni chimiche disponibili pubblicamente nel formato SMILES (Simplified Molecular Input Line Entry System) e apportando modifiche ai piani sperimentali in base a specifiche parti delle molecole analizzate nei dati SMILES. I test successivi hanno incluso moduli software che consentono a Coscientist di cercare e utilizzare documenti tecnici che descrivono interfacce di programmazione delle applicazioni che controllano attrezzature robotiche da laboratorio.

Questi test sono stati cruciali per determinare se Coscientist poteva tradurre i piani teorici per la sintesi di composti chimici in codice informatico che guidasse i robot di laboratorio nel mondo fisico. L’attrezzatura chimica robotica ad alta tecnologia viene comunemente utilizzata nei laboratori per manipolare piccoli campioni liquidi con precisione esatta. Questi robot sono di solito controllati attraverso codice informatico scritto da chimici umani che potrebbero trovarsi nello stesso laboratorio o dall’altra parte del paese. Questo è stato il primo caso in cui tali robot sono stati controllati da codice informatico scritto da un’intelligenza artificiale. Il team ha inizialmente sottoposto Coscientist a compiti semplici, come fare in modo che una macchina robotica di gestione del liquido distribuisse liquidi colorati in una piastra contenente 96 piccoli pozzetti allineati in una griglia. Successivamente, è stata presentata a Coscientist un’ampia varietà di attrezzature robotiche, in collaborazione con l’Emerald Cloud Lab, un impianto commerciale dotato di vari tipi di strumenti automatizzati, tra cui spettrofotometri per misurare le lunghezze d’onda della luce assorbita dai campioni chimici. Coscientist è stato quindi incaricato di determinare i colori presenti su una piastra contenente liquidi di tre colori diversi. Non avendo occhi, Coscientist ha scritto il codice per far passare la piastra di colore misterioso allo spettrofotometro e analizzare le lunghezze d’onda della luce assorbita da ciascun pozzetto, identificando così i colori presenti e la loro posizione sulla piastra.

La “tesi finale” di Coscientist è stata quella di mettere insieme tutti i moduli e la formazione per adempiere al comando del team di “effettuare le reazioni Suzuki e Sonogashira”. In precedenza, i premi Nobel Suzuki, Heck e Negishi erano stati riconosciuti per le loro ricerche su queste reazioni, utilizzando il palladio per catalizzare legami tra atomi di carbonio in molecole organiche. Anche se Coscientist non aveva mai tentato queste reazioni in precedenza, in pochi minuti è riuscito a progettare una procedura accurata per realizzarle, fornendo chimici umani con i materiali necessari. Il risultato finale, analizzato da Boiko, ha confermato la riuscita delle reazioni Suzuki e Sonogashira. Gomes si è stupito quando Boiko e MacKnight gli hanno raccontato cosa aveva fatto Coscientist. “Pensavo stessero scherzando”, ricorda. “Ma non lo stavano facendo. Non lo stavano assolutamente facendo. Ed è lì che è scattato il pensiero: okay, abbiamo qualcosa di nuovo, di molto potente”.

Con questo potenziale, tuttavia, si pone la necessità di utilizzarlo saggiamente e proteggersi da un uso improprio. Gomes sottolinea che la comprensione delle capacità e dei limiti dell’IA è il primo passo per formulare regole e politiche informate che possano prevenire in modo efficace utilizzi dannosi, sia intenzionali che accidentali. Gomes è uno dei ricercatori che forniscono consulenza esperta per gli sforzi del governo degli Stati Uniti volti a garantire che l’IA sia utilizzata in modo sicuro e sicuro, come l’Ordine Esecutivo del presidente Biden sullo sviluppo dell’IA nell’ottobre 2023. La visione di Gomes e del suo team è quella di sistemi assistiti dall’IA come Coscientist, che possono colmare il divario tra l’infinita vastità della natura da esplorare e la scarsità di scienziati qualificati. Immaginano sistemi AI in grado di accelerare il processo scientifico, democratizzando risorse e comprensione per ridurre significativamente le barriere di accesso in qualsiasi campo scientifico. In conclusione, Gomes afferma che c’è un iter classico nella scienza basato su un sistema di prove ed errore e l’IA può accelerare in modo sostanziale questa dinamica.

Lo studio

Lella Simone