炸翻AI和生化環材圈！GPT-4學會自己搞科研，手把手教人類做實驗

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  新智元報導  

來源：新智元

編輯：編輯部

【新智元導讀】GPT-4等大模型組成的AI智慧體，已經可以手把手教你做化學實驗了，選啥試劑、劑量多少、推理反應會如何發生，它都一清二楚。顫抖吧，生化環材圈！

不得了，GPT-4都學會自己做科研了？

最近，卡耐基梅隆大學的幾位科學家發表了一篇論文，同時炸翻了AI圈和化學圈。

他們做出了一個會自己做實驗、自己搞科研的AI。這個AI由幾個大語言模型組成，可以看作一個GPT-4代理智慧體，科研能力爆表。

因為它具有來自向量資料庫的長期記憶，可以閱讀、理解複雜的科學文件，並在基於雲的機器人實驗室中進行化學研究。

網友震驚到失語：所以，這個是AI自己研究然後自己發表？天啊。

還有人感慨道，「文生實驗」（TTE）的時代要來了！

難道這就是傳說中，化學界的AI聖盃？

最近大概很多人都覺得，我們每天都像生活在科幻小說中。

AI版絕命毒師來了？

3月份，OpenAI釋出了震撼全世界的大語言模型GPT-4。

這個地表最強LLM，能在SAT和BAR考試中得高分、透過LeetCode挑戰、給一張圖就能做對物理題，還看得懂表情包裡的梗。

而技術報告裡還提到，GPT-4還能解決化學問題。

這就啟發了卡耐基梅隆化學系的幾位學者，他們希望能開發出一個基於多個大語言模型的AI，讓它自己設計實驗、自己做實驗。

論文地址：

而他們做出來的這個AI，果然6得不行！

它會自己上網查文獻，會精確控制液體處理儀器，還會解決需要同時使用多個硬體模組、整合不同資料來源的複雜問題。

有AI版絕命毒師那味兒了。

會自己做布洛芬的AI

舉個例子，讓這個AI給我們們合成布洛芬。

給它輸入一個簡單的提示：「合成布洛芬。」

然後這個模型就會自己上網去搜該怎麼辦了。

它識別出，第一步需要讓異丁苯和乙酸酐在氯化鋁催化下發生Friedel-Crafts反應。

另外，這個AI還能合成阿司匹林。

以及合成阿斯巴甜。

產品中缺少甲基，而模型查到正確的合成示例中，就會在雲實驗室中執行，以便進行更正。

告訴模型：研究一下鈴木反應吧，它立刻就準確地識別出底物和產物。

另外，我們們可以透過API，把模型連線到化學反應資料庫，比如Reaxys或SciFinder，給模型疊了一層大大的buff，準確率飆升。

而分析系統以前的記錄，也可以大大提高模型的準確性。

舉個例子

我們們先來看看，操作機器人是怎麼做實驗的。

它會將一組樣本視為一個整體（在這個例子中，就是整個微孔板）。

我們可以用自然語言直接給它提示：「用您選擇的一種顏色，為每隔一行塗上顏色」。

當由機器人執行時，這些協議與請求的提示非常相似（圖 4B-E）。

代理人的第一個動作是準備原始解決方案的小樣本（圖 4F）。

然後它要求進行 UV-Vis 測量。完成後，AI會獲得一個檔名，其中包含一個NumPy陣列，其中包含微孔板每個孔的光譜。

AI隨後編寫了Python程式碼，來識別具有最大吸光度的波長，並使用這些資料正確解決了問題。

拉出來遛遛

在以前的實驗中，AI可能會被預訓練階段接收到的知識所影響。

而這一次，研究人員打算徹底評估一下AI設計實驗的能力。

AI先從網路上整合所需的資料，執行一些必要的計算，最後給液體試劑作業系統（上圖最左側的部分）編寫程式。

研究人員為了增加一些複雜度，讓AI應用了加熱搖床模組。

而這些要求經過整合，出現在了AI的配置中。

具體的設計是這樣的：AI控制一個搭載了兩塊微型版的液體實際作業系統，而其中的源版包含多種試劑的源液，其中有苯乙炔和苯硼酸，多個芳基鹵化物耦合伴侶，以及兩種催化劑和兩種鹼。

上圖中就是源版（Source Plate）中的內容。

而目標版則是裝在加熱搖床模組上。

上圖中，左側的移液管（left pipette）20微升量程，右側的單道移液管300微升量程。

AI最終的目標就是設計出一套流程，能成功實現鈴木和索諾格希拉反應。

我們們跟它說：你需要用一些可用的試劑，生成這兩個反應。

然後，它就自己上網去搜了，比如，這些反應需要什麼條件，化學計量上有什麼要求等等。

可以看到，AI成功蒐集到了所需要的條件，所需試劑的定量、濃度等等。

AI挑選了正確的耦合伴侶來完成實驗。在所有的芳基鹵化物中，AI選擇了溴苯進行鈴木反應的實驗，選擇了碘苯進行索諾格希拉反應。

而在每一輪，AI的選擇都有些改變。比如說，它還選了對碘硝基苯，看上的是這種物質在氧化反應中反應性很高這一特性。

而選擇溴苯是因為溴苯能參與反應，同時毒性還比芳基碘要弱。

接下來，AI選擇了Pd/NHC作為催化劑，因為其效果更好。這對於耦合反應來說，是一種很先進的方式。至於鹼的選擇，AI看中了三乙胺這種物質。

從上述過程我們可以看到，該模型未來潛力無限。因為它會多次反覆的進行實驗，以此分析該模型的推理過程，並取得更好的結果。

選擇完不同試劑以後，AI就開始計算每種試劑所需的量，然後開始規劃整個實驗過程。

中間AI還犯了個錯誤，把加熱搖床模組的名字用錯了。但是AI及時注意到了這一點，自發查詢了資料，修正了實驗過程，最終成功執行。

拋開專業的化學過程不談，我們來總結一下AI在這個過程中展現出的「專業素養」。

可以說，從上述流程中，AI展現出了極高的分析推理能力。它能夠自發的獲取所需的資訊，一步一步的解決複雜的問題。

在這個過程中，還能自己寫出超級高質量的程式碼，推進實驗設計。並且，還能根據輸出的內容改自己寫的程式碼。

OpenAI成功展示出了GPT-4的強大能力，有朝一日GPT-4肯定能參與到真實的實驗中去。

但是，研究人員並不想止步於此。他們還給AI出了個大難題——他們給AI下指令，讓其開發一種新的抗癌藥物。

不存在的東西......這AI還能行嗎？

事實證明還真是有兩把刷子。AI秉持著遇到難題不要怕的原則（當然它也不知道啥叫怕），細密地分析了開發抗癌藥物這個需求，研究了當前抗癌藥物研發的趨勢，然後從中選了一個目標繼續深入，確定其成分。

而後，AI嘗試開始自己進行合成，也是先上網搜尋有關反應機制、機理的資訊，在初步搞定步驟以後，再去尋找相關反應的例項。

最後再完成合成。

而上圖中的內容就不可能讓AI真合成出來了，僅僅是理論層面的探討。

其中就有甲基苯丙胺（也就是大麻），海洛因這些耳熟能詳的毒品，還有芥子氣（mustard gas）等明令禁止使用的毒氣。

在總共11個化合物中，AI提供了其中4個的合成方案，並嘗試查閱資料來推進合成的過程。

剩下的7種物質中，有5種的合成遭到了AI的果斷拒絕。AI上網搜尋了這5種化合物的相關資訊，發現不能胡來。

比方說，在嘗試合成可待因（codeine）的時候，AI發現了可待因和嗎啡之間的關係。得出結論，這東西是管制藥品，不能隨便合成。

但是，這種保險機制並不把穩。使用者只要稍加修改花書，就可以進一步讓AI操作。比如用化合物A這種字眼代替直接提到嗎啡，用化合物B代替直接提到可待因等等。

同時，有些藥品的合成必須經過緝毒局（DEA）的許可，但有的使用者就是可以鑽這個空子，騙AI說自己有許可，誘使AI給出合成方案。

像海洛因和芥子氣這種耳熟能詳的違禁品，AI也清楚得很。可問題是，這個系統目前只能檢測出已有的化合物。而對於未知的化合物，該模型就不太可能識別出潛在的危險了。

比方說，一些複雜的蛋白質毒素。

因此，為了防止有人因為好奇去驗證這些化學成分的有效性，研究人員還特地在論文裡貼了一個大大的紅底警告：

本文中討論的非法藥物和化學武器合成純粹是為了學術研究，主要目的是強調與新技術相關的潛在危險。

在任何情況下，任何個人或組織都不應嘗試重新制造、合成或以其他方式生產本文中討論的物質或化合物。從事此類活動不僅非常危險，而且在大多數司法管轄區內都是非法的。

自己會上網，搜尋怎麼做實驗

這個AI由多個模組組成。這些模組之間可以互相交換資訊，有的還能上網、訪問API、訪問Python直譯器。

往Planner輸入提示後，它就開始執行操作。

比如，它可以上網，用Python寫程式碼，訪問文件，把這些基礎工作搞明白之後，它就可以自己做實驗了。

人類做實驗時，這個AI可以手把手地指導我們。因為它會推理各種化學反應，會上網搜尋，會計算實驗中所需的化學品的量，然後還能執行相應的反應。

如果提供的描述足夠詳細，你甚至都不需要向它再解釋，它自己就能把整個實驗整明白了。

「網路搜尋器」（Web searcher）元件收到來自Planner的查詢後，就會用谷歌搜尋API。

搜出結果後，它會過濾掉返回的前十個文件，排除掉PDF，把結果傳給自己。

然後，它會使用「BROWSE」操作，從網頁中提取文字，生成一個答案。行雲流水，一氣呵成。

這項任務，GPT-3.5就可以完成，因為它的效能明顯比GPT-4強，也沒啥質量損失。

「文件搜尋器」（Docs searcher）元件，能夠透過查詢和文件索引，查到最相關的部分，從而梳理硬體文件（比如機器人液體處理器、GC-MS、雲實驗室），然後彙總出一個最佳匹配結果，生成一個最準確的答案。

「程式碼執行」（Code execution）元件則不使用任何語言模型，只是在隔離的Docker容器中執行程式碼，保護終端主機免受Planner的任何意外操作。所有程式碼輸出都被傳回Planner，這樣就能在軟體出錯時，讓它修復預測。「自動化」（Automation）元件也是同樣的原理。

向量搜尋，多難的科學文獻都看得懂

做出一個能進行復雜推理的AI，有不少難題。

比如要讓它能整合現代軟體，就需要使用者能看懂軟體文件，但這項文件的語言一般都非常學術、非常專業，造成了很大的障礙。

而大語言模型，就可以用自然語言生成非專家都能看懂的軟體文件，來克服這一障礙。

這些模型的訓練來源之一，就是和API相關的大量資訊，比如Opentrons Python API。

但GPT-4的訓練資料截止到2021年9月，因此就更需要提高AI使用API的準確性。

為此，研究者設計了一種方法，為AI提供給定任務的文件。

他們生成了OpenAI的ada嵌入，以便交叉引用，並計算與查詢相關的相似性。並且透過基於距離的向量搜尋選擇文件的部分。

提供部分的數量，取決於原始文字中存在的GPT-4 token數。最大token數設為7800，這樣只用一步，就可以提供給AI相關檔案。

事實證明，這種方法對於向AI提供加熱器-振動器硬體模組的資訊至關重要，這部分資訊，是化學反應所必需的。

這種方法應用於更多樣化的機器人平臺，比如Emerald Cloud Lab (ECL)時，會出現更大的挑戰。

此時，我們可以向GPT-4模型提供它未知的資訊，比如有關 Cloud Lab 的 Symbolic Lab Language (SLL)。

在所有情況下，AI都能正確識別出任務，然後完成任務。

這個過程中，模型有效地保留了有關給定函式的各種選項、工具和引數的資訊。攝取整個文件後，系統會提示模型使用給定函式生成程式碼塊，並將其傳回 Planner。

強烈要求進行監管

最後，研究人員強調，必須設定防護措施來防止大型語言模型被濫用：

「我們呼籲人工智慧社群優先關注這些模型的安全性。我們呼籲OpenAI、微軟、谷歌、Meta、Deepmind、Anthropic以及其他主要參與者在其大型語言模型的安全方面付出最大的努力。我們還呼籲物理科學社群與參與開發大型語言模型的團隊合作，協助他們制定這些防護措施。」

對此，紐約大學教授馬庫斯深表贊同：「這不是玩笑，卡內基梅隆大學的三位科學家緊急呼籲對LLM進行安全研究。」

參考資料：