快人類2000年！這位“化學(xué)家”可在火星環(huán)境下制造氧氣

尋找火星上過(guò)去的生命跡象，并在火星上建造適宜生存的潛在居住地，是人類夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。

而火星制氧，是人類移居火星前首先需要解決的難題之一。

盡管 NASA 此前已成功驗(yàn)證可以在火星本地制造出氧氣——“毅力”號(hào)火星車搭載的制氧設(shè)備在 16 次制氧實(shí)驗(yàn)中共制造出 122 克氧氣（相當(dāng)于一只小狗呼吸 10 小時(shí)所需氧氣量），但要想在火星上完成大規(guī)模制氧，依然面臨著不少困難。

如今，人工智能（AI）或許可以幫助我們應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)器人 AI 化學(xué)家，其可以從火星隕石中制造出催化劑，再測(cè)試其制氧性能，并不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到找出最好的催化劑，且無(wú)需人類干預(yù)。

此外，經(jīng)研究人員證明，該催化劑可以在模擬的火星條件下運(yùn)作。

實(shí)際上，從給定的元素清單中設(shè)計(jì)催化劑需要探索巨大的化學(xué)空間，這對(duì)傳統(tǒng)的“試錯(cuò)”模式來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。例如，以 5 種不同的火星本地礦石為原料，根據(jù) 1% 間隔的整數(shù)百分比組合估算，有 3764376 種可能的配方，如果通過(guò)人類勞動(dòng)來(lái)完成這一過(guò)程，要花費(fèi) 2000 年。

相關(guān)研究論文以“Automated synthesis of oxygen-producing catalysts from Martian meteorites by a robotic AI chemist”為題，已發(fā)表在 Nature 子刊 Nature Synthesis 上。

論文作者表示，AI 化學(xué)家代表了在火星上現(xiàn)場(chǎng)合成催化劑的一種有前景的技術(shù)，為制氧提供了概念驗(yàn)證，或可影響未來(lái)的載人火星任務(wù)。

不到 6 周，找出更好的配方

由于火箭推進(jìn)劑和生命支持系統(tǒng)消耗大量氧氣，供氧成為了在火星上進(jìn)行人類活動(dòng)的首要任務(wù)。

最近的水活動(dòng)證據(jù)增加了通過(guò)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)水氧化過(guò)程，在使用析氧反應(yīng)（OER）催化劑的情況下，在火星上進(jìn)行大規(guī)模氧氣生產(chǎn)的可能性。

然而，要利用本地的火星原材料合成可用的 OER 催化劑，必須克服兩個(gè)主要技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，合成系統(tǒng)必須是無(wú)人操作和自主導(dǎo)向的，因?yàn)檫b遠(yuǎn)的天文距離阻礙了人類的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程指導(dǎo)；其次，它應(yīng)該配備科學(xué)智能，從而通過(guò) AI 算法高效識(shí)別最佳催化劑配方。

而 AI 機(jī)器人似乎是解決這兩個(gè)挑戰(zhàn)的唯一可行技術(shù)。這些機(jī)器人系統(tǒng)需要一個(gè)智能子系統(tǒng)，從而獲取化學(xué)知識(shí)并形成預(yù)測(cè)性的物理模型。

該研究開(kāi)發(fā)的 AI 化學(xué)家可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和自主合成，它不僅可以使用移動(dòng)機(jī)器人和 14 個(gè)特定任務(wù)化學(xué)工作站進(jìn)行化學(xué)合成、結(jié)構(gòu)表征和性能測(cè)試的整個(gè)過(guò)程，而且可以通過(guò)強(qiáng)大的計(jì)算模塊，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法和理論模型，分析機(jī)器人獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和第一性原理模擬數(shù)據(jù)，為化學(xué)合成任務(wù)設(shè)計(jì)最佳配方。

為了簡(jiǎn)化火星上 AI 化學(xué)家的工作，研究提出了一個(gè)用于現(xiàn)場(chǎng)合成 OER 電催化劑的雙層工作流程。外層包括機(jī)器人和各種“智能”化學(xué)工作站完成的 12 步自動(dòng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)管理；內(nèi)層包括智能計(jì)算“大腦”執(zhí)行的九個(gè)連續(xù)的數(shù)字操作。

圖｜由移動(dòng)機(jī)器人、計(jì)算“大腦”、云服務(wù)器和 14 個(gè)特定任務(wù)工作站組成的 AI 化學(xué)家在火星現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn) OER 電催化劑的全方位系統(tǒng)的工作流程。

據(jù)論文描述，該 AI 化學(xué)家在高熵電催化劑的最優(yōu)合成配方的發(fā)現(xiàn)上，相比傳統(tǒng)的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)范式，提速了 5 個(gè)數(shù)量級(jí)。

另外，研究人員還設(shè)計(jì)了一種由 AI 化學(xué)家驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)協(xié)議，證明其在設(shè)計(jì)一個(gè)由 3764376 種組合中選擇的 6 種金屬元素的 OER 催化劑方面，優(yōu)于傳統(tǒng)的試錯(cuò)協(xié)議。

據(jù)論文描述，在 6 周內(nèi)，AI 化學(xué)家利用 ML 和貝葉斯優(yōu)化算法，從近 30000 個(gè)理論數(shù)據(jù)集和 243 個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)，建立了一個(gè)預(yù)測(cè)模型，該模型提供了一個(gè)很有希望的 OER 催化劑配方和最合適的合成條件。

火星制氧，AI 或是“催化劑”

除了搭乘 NASA“毅力”號(hào)的 MOXIE 成功制造出少量氧氣，2022 年，葡萄牙里斯本大學(xué)物理學(xué)家 Vasco Guerra 和同事也提出，在等離子體反應(yīng)堆中使用電子束可以產(chǎn)生更多的氧氣。

他們將與火星壓力和成分相匹配的空氣注入金屬管中，通過(guò)向反應(yīng)室發(fā)射電子束，能將大約 30% 的空氣轉(zhuǎn)化為氧氣。研究估計(jì)，該裝置每小時(shí)可以產(chǎn)生大約 14 克氧氣，足夠支撐 28 分鐘的呼吸。

然而，雖然這對(duì)于維持一個(gè)小型生命支持系統(tǒng)或者為一個(gè)小型火箭提供燃料已經(jīng)足夠，但是如果要實(shí)現(xiàn)載人火星任務(wù)，就需要更大規(guī)模和更高效率的制氧設(shè)備。

NASA 估計(jì)，一個(gè) 4 人的宇航員團(tuán)隊(duì)在火星上生存一年需要約一噸的氧氣，而從火星表面起飛返回地球則需要約 7 噸的氧氣。因此，未來(lái)的制氧設(shè)備可能需要有一輛小汽車那么大，且能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。

此次研究提出的 AI 化學(xué)家實(shí)現(xiàn)了在火星制氧方面新的突破，為在火星上制造氧氣提供了新思路，或許可以使大規(guī)模生產(chǎn)氧氣成為可能。

近年來(lái)，AI 不斷拓展人類探索宇宙的可能性。未來(lái)，AI 或許可以成為人類實(shí)現(xiàn)在火星居住的“催化劑”。

參考鏈接：https://www.nature.com/articles/s44160-023-00424-1