Automatisierung wissenschaftlicher Entdeckungen: Der KI-Coscientist von Carnegie Mellon verändert die Laborarbeit

von Klaus Müller
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AI-driven Chemistry

Automatisierung wissenschaftlicher Entdeckungen: Der KI-Coscientist von Carnegie Mellon revolutioniert die Laborarbeit

Das bahnbrechende KI-System der Carnegie Mellon University, bekannt als Coscientist, hat durch die autonome Durchführung chemischer Experimente eine neue Ära der wissenschaftlichen Forschung eingeläutet. Durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit großer Sprachmodelle und die Automatisierung des experimentellen Prozesses hat Coscientist nicht nur die Effizienz erheblich gesteigert, sondern auch die wissenschaftliche Forschung leichter zugänglich gemacht und dabei Sicherheit und ethische Praktiken in den Vordergrund gestellt. Diese Errungenschaft stellt einen monumentalen Meilenstein im Bereich der KI-gesteuerten wissenschaftlichen Erforschung dar.

In einer bemerkenswerten Leistung ist es Coscientist, einem anorganischen intelligenten System, gelungen, komplexe chemische Reaktionen zu orchestrieren, von denen einige mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Dieser Erfolg wird in der Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature vom 21. Dezember dokumentiert und stellt den ersten Fall dar, in dem eine künstliche Intelligenzeinheit ein Chemieexperiment konzipiert, geplant und durchgeführt hat.

Das Forschungsteam von Carnegie Mellon stellt sich eine Zukunft vor, in der intelligente Agentensysteme für autonome wissenschaftliche Experimente tiefgreifende Entdeckungen, unvorhergesehene Therapien und die Schaffung neuartiger Materialien hervorbringen. Während die spezifischen Ergebnisse dieser Entdeckungen noch ungewiss sind, verspricht die kollaborative Synergie zwischen Menschen und Maschinen, die Landschaft der wissenschaftlichen Forschung neu zu gestalten.

Cocientist: Die Fusion von KI und Chemie

Coscientist wurde vom Assistenzprofessor für Chemie und Chemieingenieurwesen Gabe Gomes zusammen mit den Doktoranden Daniil Boiko und Robert MacKnight entwickelt und nutzt große Sprachmodelle, darunter GPT-4 von OpenAI und Claude von Anthropic, um den gesamten experimentellen Prozess durch Eingabeaufforderungen in natürlicher Sprache zu rationalisieren.

Beispielsweise kann ein Wissenschaftler Coscientist einfach anweisen, eine Verbindung mit bestimmten Eigenschaften zu identifizieren. Das System durchsucht dann Online-Ressourcen, Datenrepositorys und relevante Dokumentation, fasst die Informationen zusammen und entwirft einen Versuchsplan. Dieser Plan wird anschließend von automatisierten Instrumenten ausgeführt. Im Wesentlichen ermöglicht Coscientist Forschern, Experimente mit bemerkenswerter Geschwindigkeit, Präzision und Effizienz zu entwerfen und durchzuführen, die die Fähigkeiten einzelner menschlicher Forscher übertreffen.

David Berkowitz, Direktor der Chemieabteilung der National Science Foundation (NSF), lobte die Fähigkeiten des Systems und betonte seine Fähigkeit, als außerordentlich effizienter Laborpartner zu fungieren. „Coscientist“ vereint nicht nur unterschiedliche Elemente, sondern erweist sich auch für echte wissenschaftliche Zwecke als unschätzbar wertvoll und veranschaulicht seinen vielfältigen Nutzen.

In ihrer Nature-Publikation demonstrierte die Forschungsgruppe die Fähigkeit von Coscientist, die chemische Synthese bekannter Verbindungen zu planen, sich in der Hardware-Dokumentation zurechtzufinden, mit automatisierten Cloud-Laboren zu kommunizieren, Liquid-Handling-Geräte zu steuern, komplexe wissenschaftliche Aufgaben über mehrere Hardware-Module und Datenquellen hinweg durchzuführen und Optimierungen zu lösen Herausforderungen durch die Analyse zuvor gesammelter Daten.

Erweiterung des Zugangs zu fortgeschrittener wissenschaftlicher Forschung

Gabe Gomes betont, dass die Integration großer Sprachmodelle den Zugang zu automatisierten Laboren erleichtert und eines der größten Hindernisse beseitigt – die Programmierkenntnisse. Wissenschaftlern die Interaktion mit automatisierten Plattformen mithilfe natürlicher Sprache zu ermöglichen, verspricht eine Demokratisierung der Wissenschaft und eine Ausweitung ihrer Reichweite auf akademische Forscher, die möglicherweise keinen Zugang zur hochmodernen Forschungsinfrastruktur haben, die normalerweise an Eliteinstitutionen zu finden ist.

Zusammenarbeit und zukünftige Bemühungen

Die Zusammenarbeit von Carnegie Mellon mit dem Emerald Cloud Lab (ECL), das von Carnegie Mellon-Alumni Ben Kline gegründet wurde, zeigt die Wirksamkeit von Coscientist bei der Durchführung von Experimenten in automatisierten Roboterlabors. Diese bahnbrechende Arbeit unterstreicht nicht nur das Potenzial selbstfahrender Experimente, sondern führt auch innovative Methoden ein, um Forschungsergebnisse mithilfe der Cloud-Lab-Technologie mit der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft zu teilen.

Anfang 2024 wird Carnegie Mellon in Zusammenarbeit mit ECL das erste universitäre Cloud-Labor eröffnen und Forschern Zugang zu über 200 wissenschaftlichen Geräten gewähren. Gabe Gomes plant, die im Nature-Papier beschriebenen Technologien für den künftigen Einsatz im Carnegie Mellon Cloud Lab und anderen selbstfahrenden Labors weiterzuentwickeln.

Verbesserung der Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit in der Forschung

Coscientist sorgt für ein höheres Maß an Transparenz bei wissenschaftlichen Experimenten, indem jeder Schritt des Forschungsprozesses sorgfältig dokumentiert wird. Dieses Engagement für Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit stellt sicher, dass Forschungsarbeiten leicht überprüft und reproduziert werden können, wodurch ihre Wirkung innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft vergrößert wird.

Berücksichtigung von Sicherheits- und ethischen Bedenken

Sicherheitsbedenken sind im Bereich KI-gesteuerter wissenschaftlicher Experimente von größter Bedeutung, und das Team von Gabe Gomes hat proaktive Schritte unternommen, um potenzielle Gefahren zu mindern. Sie haben die Anfälligkeit des Systems gegenüber Zwang bei der Herstellung gefährlicher Chemikalien oder kontrollierter Substanzen eingehend untersucht.

Die Forscher erkennen zwar das enorme Potenzial der KI-gestützten Wissenschaft an, betonen jedoch die Bedeutung eines ethischen und verantwortungsvollen Umgangs mit diesen leistungsstarken Werkzeugen. Auf diese Weise wollen sie die Fähigkeiten großer Sprachmodelle nutzen, um die wissenschaftliche Forschung voranzutreiben und gleichzeitig die mit ihrem Missbrauch verbundenen Risiken zu minimieren.

Referenz: „Autonomous Scientific Research Capabilities of Large Language Models“, veröffentlicht in Nature am 20. Dezember 2023 (DOI: 10.1038/s41586-023-06792-0).

Diese Forschung wurde von der Carnegie Mellon University, ihrem Mellon College of Science, dem College of Engineering sowie den Fakultäten für Chemie und Chemieingenieurwesen unterstützt. Die Graduiertenstudien für Daniil Boiko wurden vom Center for Chemoenzymatic Synthesis (2221346) der National Science Foundation (NSF) unterstützt, und die Graduiertenstudien von Robert MacKnight wurden vom Center for Computer Assisted Synthesis (2202693) der NSF unterstützt.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zur KI-gesteuerten Chemie

Was ist Coscientist und was macht es?

Coscientist ist ein von der Carnegie Mellon University entwickeltes KI-System, das autonom komplexe Chemieexperimente durchführt. Es verwendet große Sprachmodelle, um den experimentellen Prozess zu rationalisieren und so die wissenschaftliche Forschung effizienter und zugänglicher zu machen.

Was macht die Leistungen von Coscientist bahnbrechend?

Coscientist ist das erste nicht-organische intelligente System zum Entwerfen, Planen und Durchführen chemischer Experimente und markiert damit einen bedeutenden Meilenstein in der KI-gesteuerten wissenschaftlichen Forschung.

Wie funktioniert Coscientist?

Forscher können mit Coscientist über Eingabeaufforderungen in natürlicher Sprache kommunizieren. Es durchsucht Online-Ressourcen, synthetisiert Informationen und entwirft Versuchspläne, die von automatisierten Instrumenten ausgeführt werden. Dieser Ansatz beschleunigt die Forschung und erhöht die Präzision.

Welche Vorteile bietet die Verwendung von Coscientist?

Coscientist beschleunigt nicht nur die Forschung, sondern demokratisiert auch den Zugang zu fortgeschrittener wissenschaftlicher Forschung und macht sie einem breiteren Spektrum von Forschern zugänglich. Es verbessert die Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit in der Forschung und sorgt für Transparenz.

Wie sieht die Zukunft der KI-gesteuerten wissenschaftlichen Forschung mit Systemen wie Coscientist aus?

Die Integration von KI und Automatisierung in die wissenschaftliche Forschung verspricht enorme Fortschritte in der Chemie und anderen Bereichen. Es unterstreicht auch die Bedeutung eines ethischen und verantwortungsvollen Einsatzes von KI-Tools in der Forschung.

Ist die Verwendung von Coscientist mit Risiken verbunden?

Sicherheit ist ein oberstes Anliegen, und das Forschungsteam hinter Coscientist hat Maßnahmen ergriffen, um potenzielle Gefahren zu mindern und einen verantwortungsvollen Einsatz von KI bei wissenschaftlichen Experimenten sicherzustellen.

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