快人類2000年！中科大AI化學家登Nature子刊，可在火星上製造氧氣

尋找火星上過去的生命跡象，並在火星上建造適宜生存的潛在居住地，是人類夢寐以求的目標。

而火星製氧，是人類移居火星前首先需要解決的難題之一。

儘管 NASA 此前已成功驗證可以在火星本地製造出氧氣——“毅力”號火星車搭載的製氧設備在 16 次製氧實驗中共製造出 122 克氧氣（相當於一隻小狗呼吸 10 小時所需氧氣量），但要想在火星上完成大規模製氧，依然面臨着不少困難。

如今，人工智能（AI）或許可以幫助我們應對這一挑戰。

由中國科學技術大學領銜的研究團隊開發了一個機器人 AI 化學家，其可以從火星隕石中製造出催化劑，再測試其製氧性能，並不斷重複這個過程，直到找出最好的催化劑，且無需人類干預。

此外，經研究人員證明，該催化劑可以在模擬的火星條件下運作。

實際上，從給定的元素清單中設計催化劑需要探索巨大的化學空間，這對傳統的“試錯”模式來說是一項艱鉅的任務。例如，以 5 種不同的火星本地礦石爲原料，根據 1% 間隔的整數百分比組合估算，有 3764376 種可能的配方，如果通過人類勞動來完成這一過程，要花費 2000 年。

相關研究論文以“Automated synthesis of oxygen-producing catalysts from Martian meteorites by a robotic AI chemist”爲題，已發表在 Nature 子刊 Nature Synthesis 上。

論文作者表示，AI 化學家代表了在火星上現場合成催化劑的一種有前景的技術，爲製氧提供了概念驗證，或可影響未來的載人火星任務。

由於火箭推進劑和生命支持系統消耗大量氧氣，供氧成爲了在火星上進行人類活動的首要任務。

最近的水活動證據增加了通過太陽能驅動的電化學水氧化過程，在使用析氧反應（OER）催化劑的情況下，在火星上進行大規模氧氣生產的可能性。

然而，要利用本地的火星原材料合成可用的 OER 催化劑，必須克服兩個主要技術挑戰。首先，合成系統必須是無人操作和自主導向的，因爲遙遠的天文距離阻礙了人類的實時遠程指導；其次，它應該配備科學智能，從而通過 AI 算法高效識別最佳催化劑配方。

而 AI 機器人似乎是解決這兩個挑戰的唯一可行技術。這些機器人系統需要一個智能子系統，從而獲取化學知識並形成預測性的物理模型。

該研究開發的 AI 化學家可以實現自動和自主合成，它不僅可以使用移動機器人和 14 個特定任務化學工作站進行化學合成、結構表徵和性能測試的整個過程，而且可以通過強大的計算模塊，結合機器學習（ML）算法和理論模型，分析機器人獲得的實驗數據和第一性原理模擬數據，爲化學合成任務設計最佳配方。

爲了簡化火星上 AI 化學家的工作，研究提出了一個用於現場合成 OER 電催化劑的雙層工作流程。外層包括機器人和各種“智能”化學工作站完成的 12 步自動實驗和數據管理；內層包括智能計算“大腦”執行的九個連續的數字操作。

圖｜由移動機器人、計算“大腦”、雲服務器和 14 個特定任務工作站組成的 AI 化學家在火星現場設計和生產 OER 電催化劑的全方位系統的工作流程。

據論文描述，該 AI 化學家在高熵電催化劑的最優合成配方的發現上，相比傳統的試錯實驗範式，提速了 5 個數量級。

另外，研究人員還設計了一種由 AI 化學家驅動的數據驅動協議，證明其在設計一個由 3764376 種組合中選擇的 6 種金屬元素的 OER 催化劑方面，優於傳統的試錯協議。

據論文描述，在 6 周內，AI 化學家利用 ML 和貝葉斯優化算法，從近 30000 個理論數據集和 243 個實驗數據集中學習，建立了一個預測模型，該模型提供了一個很有希望的 OER 催化劑配方和最合適的合成條件。

除了搭乘 NASA“毅力”號的 MOXIE 成功製造出少量氧氣，2022 年，葡萄牙里斯本大學物理學家 Vasco Guerra 和同事也提出，在等離子體反應堆中使用電子束可以產生更多的氧氣。

他們將與火星壓力和成分相匹配的空氣注入金屬管中，通過向反應室發射電子束，能將大約 30% 的空氣轉化爲氧氣。研究估計，該裝置每小時可以產生大約 14 克氧氣，足夠支撐 28 分鐘的呼吸。

然而，雖然這對於維持一個小型生命支持系統或者爲一個小型火箭提供燃料已經足夠，但是如果要實現載人火星任務，就需要更大規模和更高效率的製氧設備。

NASA 估計，一個 4 人的宇航員團隊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，未來的製氧設備可能需要有一輛小汽車那麼大，且能夠長期穩定地運行。

此次研究提出的 AI 化學家實現了在火星製氧方面新的突破，爲在火星上製造氧氣提供了新思路，或許可以使大規模生產氧氣成爲可能。

近年來，AI 不斷拓展人類探索宇宙的可能性。未來，AI 或許可以成爲人類實現在火星居住的“催化劑”。