DARPA, AI를 활용해 배터리와 폭발물 혁신

• DARPA는 새로운 분자를 생산하기 위한 기계 학습 기반 도구를 개발했습니다.
• Make-It이라는 프로그램은 여러 군용 제품 및 응용 분야의 화학 물질 발견 프로세스 속도를 높일 수 있습니다.

현대 유기화학의 가장 어려운 과제 중 하나는 컴퓨터에게 화학 합성을 계획하는 방법을 가르치는 것입니다. 수년간의 연구에도 불구하고 컴퓨터로 구축한 후 실험실에서 성공적으로 구현한 완전한 경로를 달성하지 못했습니다.

현재 컴퓨터 소프트웨어/하드웨어는 화학적 변형에 대한 방대한 지식 기반을 처리하고, 합성 가능성의 광대한 '트리'와 고차 논리를 효율적으로 탐색할 만큼 능력이 부족합니다.

DARPA는 현재 시간, 비용, 안전 및 폐기물 최소화와 같은 매개변수에 최적화된 합성 경로를 예측하기 위해 전문가가 인코딩한 기계 학습 기술을 기반으로 하는 소프트웨어 도구를 개발하고 있습니다.

Make-It이라는 프로그램은 연구자들이 수많은 화합물 합성 경로를 테스트하는 대신 화학적 혁신에 집중할 수 있도록 자유롭게 하는 것을 목표로 합니다. 팀은 자체 지식 기반과 시행착오 프로세스를 사용하여 원하는 화합물을 생성하는 자동화된 장비(단일 장치 다중 분자 개념 기반)를 구축하려고 노력하고 있습니다.

이는 여러 군용 제품 및 응용 분야에 대한 화학적 발견 프로세스의 속도를 높일 수 있습니다. 좋은 소식은 최근 이 자동화 장비 구축에 있어 놀라운 진전을 보여주었다는 것입니다.

이는 더 작고 오래 지속되는 배터리, 연료 전지, 보다 안전한 폭발물, 로켓 엔진용 효과적인 추진제, 더 나은 접착제, 페인트 및 코팅을 포함한 광범위한 차세대 방위 제품을 가능하게 할 수 있습니다.

이것이 연구 화학자들에게 어떻게 도움이 될까요?

일반적으로 연구 화학자는 새로운 화합물에 대한 합성 경로를 만드는 데 수십 시간을 보내고 실험실에서 합성을 실행하고 향상시키는 데 몇 달을 보냅니다. 이 새로운 도구는 화학자들이 분자 발견과 같은 다른 귀중한 분야에서 자신의 두뇌 능력을 활용하는 데 도움이 될 것입니다.

연구 화학자는 공급업체로부터 분자를 구입하여 대량으로 폐기하는 대신 요구 사항에 따라 분자를 생성할 수 있습니다. 이 도구는 화학 분야뿐만 아니라 소분자 연구 및 개발과 관련된 다른 많은 기술 분야에도 도움이 될 수 있습니다.

목표에서 나타나고 숫자에 따라 확장되는 합성 가능성의 그래프입니다. 검색 반복

자동화되지 않은 방법론을 사용하면 작고 무시할 수 있는 변화가 생성된 화합물의 처리량과 순도에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 이로 인해 이전에 보고된 합성을 재현하기가 어려워집니다. 반면, 자동화된 화학 합성은 생산을 가속화하고 민주화하는 재현 가능한 절차를 생성합니다.

참고자료:ScienceDirect | 도이:10.1016/j.chempr.2018.02.002 | DARPA

개발자에 따르면 Make-It은 정확한 재현성을 보장합니다. 경로는 컴퓨터 명령에 의해 실행되므로 실험실 간 변동이 발생하지 않습니다.

Make-It 합성 장치는 더 깨끗하고 안전하며 안전한 솔루션을 제공합니다. 폭발물과 같은 유해 화학물질을 물리적으로 다룰 필요가 없습니다. 더욱이 이러한 장치는 적은 양의 용매를 필요로 하므로 폐기물 발생량이 적습니다.

기타 유사한 도구

다른 많은 기관과 조직에서는 다양한 화학 경로 옵션을 자동으로 설계할 수 있는 도구를 개발하기 위한 다양한 방법을 모색하고 있습니다. Grzybowski Scientific Inventions(GSI)의 분자 경로 최적화 도구를 사용하면 과학자들은 수백만 개의 데이터 포인트를 필터링하고 약물 발견 및 의약 화학을 위한 최상의 경로를 찾을 수 있습니다. 이 도구는 상업적으로 이용 가능합니다.

글래스고 대학교(University of Glasgow)의 연구원들은 현재 이동 중에도 특정 화합물을 제조하기 위해 휴대용 반응기를 3D 프린팅할 수 있는 저렴한 도구를 연구하고 있습니다. MIT는 또한 약물 발견을 돕기 위해 기계 학습 모델에 대한 전문 지식을 적용하고 있습니다.

자동화된 화학 합성기 | 출처:MIT

위 이미지는 수직으로 정렬된 반응기로 화학물질이 흘러 들어가는 MIT의 자동화된 화학합성기를 보여줍니다. 로봇 팔은 이러한 화학 반응기를 삽입, 재정렬 또는 제거하여 컴퓨터가 설계한 합성을 수행할 수 있습니다.

퍼듀 대학교(Purdue University)는 데이터 처리 소프트웨어, 로봇 공학, 고감도 검출기 및 액체 취급 장치를 사용하여 수백만 건의 유전자 및 약리학 테스트를 신속하게 수행하는 처리량이 많은 검사 프로세스를 고안했습니다.

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DARPA의 Make-IT의 흥미로운 점은 제약뿐만 아니라 모든 국방 분야를 다루는 모든 분자를 생성하는 것을 목표로 한다는 것입니다. 앞으로 몇 년 안에 연구자들은 합성 과정의 실시간 분류를 통합하고 더 복잡한 화합물을 개발하기 위해 고급 분석 장비를 사용할 것입니다.