Ce chimiste réinvente la découverte des matériaux grâce à l'IA et à l'automatisation

Alán Aspuru-Guzik utilise l'IA, des robots et même l'informatique quantique pour créer les nouveaux matériaux dont nous aurons besoin pour lutter contre le changement climatique.

Derek Chapton

par

• Simon Levsen page d'archives

27 octobre 2021

Lorsque Alán Aspuru-Guzik, un chimiste torontois né à Mexico, examine les modèles de changement climatique, ses yeux se tournent vers les barres d'erreur, qui montrent la plage d'incertitude entourant une prédiction donnée. En tant que scientifiques, dit-il, nous avons le devoir d'envisager les pires scénarios. Si le changement climatique se déroule comme prévu, l'humanité aura peut-être une vingtaine d'années pour trouver des matériaux qui n'existent pas encore : des molécules qui nous permettent de capturer rapidement et à moindre coût le carbone, et des batteries, constituées d'autre chose que du lithium, un un métal coûteux et difficile à extraire – pour stocker l'approvisionnement mondial en énergie renouvelable.

Et si la situation empire par rapport à ce à quoi nous nous attendions ? Le besoin de nouveaux matériaux passera d'urgent à extrêmement urgent à terrible. Pourrions-nous trouver rapidement les choses dont nous avons besoin ?

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2021

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Aspuru-Guzik (un des Les 35 innovateurs de moins de 35 ans du MIT Technology Review en 2010) a consacré une grande partie de sa vie à des versions de cette question. La découverte des matériaux - la science de la création et du développement de nouvelles substances utiles - évolue souvent à un rythme frustrant. L'approche typique par essais et erreurs, dans laquelle les scientifiques produisent de nouvelles molécules puis testent chacune séquentiellement pour les propriétés souhaitées, prend en moyenne deux décennies, ce qui la rend trop coûteuse et risquée pour la plupart des entreprises.

L'objectif d'Aspuru-Guzik, qu'il partage avec un nombre croissant de chimistes avertis en informatique, est de réduire cet intervalle à quelques mois ou années, permettant à l'humanité d'amasser rapidement un arsenal de ressources pour lutter contre le changement climatique, comme des batteries et du carbone. filtres de capture. L'objectif est de relancer l'industrie moribonde des matériaux en intégrant des simulations numériques, la robotique, la science des données, l'intelligence artificielle et même l'informatique quantique dans le processus de découverte.

Imaginez des programmes informatiques qui utilisent une connaissance précise de la structure électronique des molécules pour créer de nouvelles conceptions ; imaginez des robots qui fabriquent et testent ces molécules. Et imaginez que le logiciel et les robots travaillent ensemble - testant des molécules, peaufinant des conceptions et testant à nouveau - jusqu'à ce qu'ils produisent un matériau avec les propriétés que nous recherchons.

C'est l'idée, du moins. En fait, l'exécuter est une autre affaire. Les structures des molécules sont d'une complexité époustouflante et la synthèse chimique est souvent plus un art qu'une science, défiant les efforts visant à automatiser le processus. Mais les progrès de l'IA, de la robotique et de l'informatique sont apporter une nouvelle vie à la voyance.

Aspuru-Guzik est un évangéliste de premier plan pour l'utilisation de l'informatique pour transformer la chimie.

DEREK SHAPTON

Aspuru-Guzik a coprésidé un atelier en 2017 à Mexico où 133 participants, dont des scientifiques lauréats du prix Nobel et des représentants de 17 gouvernements nationaux, se sont réunis pour concentrer la communauté mondiale de la recherche sur cet objectif. La conférence a été un moment charnière, aidant à faire passer le domaine de la découverte accélérée des matériaux d'un domaine de recherche de niche à une priorité mondiale pour bon nombre de ces participants. Après l'événement, le Canada, l'Inde et l'UE, entre autres, ont commencé à investir dans des initiatives visant à accélérer la recherche sur les matériaux.

Le travail lui-même est ambitieux et techniquement difficile car il couvre de nombreuses disciplines. Mais en tant que chimiste, ingénieur logiciel, pionnier de l'IA, programmeur informatique quantique, passionné de robotique et entrepreneur en série, Aspuru-Guzik a peut-être le bon mélange d'expertise informatique et d'imagination pour connecter les multiples outils essentiels pour y arriver. Il est devenu l'un des évangélistes les plus convaincants de la nouvelle façon de faire de la chimie.

Alán peut voir au-delà de ce que les gens pensent être possible, dit Josué Schrier , un chimiste de l'Université Fordham et un collaborateur fréquent. Il est le genre d'innovateur, dit Schrier, qui change la façon dont tout le monde autour de lui pratique la science.

Pour Ryan Babbush, responsable de l'équipe des algorithmes quantiques chez Google, le trait de caractère le plus important d'Aspuru-Guzik est son agitation créative. Alán consacre son temps et son énergie à la nouveauté, au territoire le plus inexploré, dit-il. Il ne reste pas dans les parages et ne se concentre pas sur les développements progressifs.

Cela peut être un problème étant donné le temps et le travail acharné qu'il faut pour mettre un nouveau matériau sur le marché - une entreprise qui nécessite une recherche obstinée et étroitement ciblée et une patience commerciale sans fin. Mais en fin de compte, dit Babbush, Aspuru-Guzik souhaite réinventer le processus de découverte des matériaux, en dotant les scientifiques de la communauté des outils informatiques et d'automatisation dont ils ont besoin pour accélérer leur travail.

Aujourd'hui, Aspuru-Guzik construit un laboratoire à Toronto où des algorithmes d'IA conçoivent de nouvelles molécules, et des robots les fabriquent et les testent rapidement. Le laboratoire est une sorte de prototype, destiné à démontrer comment la découverte des matériaux pourrait fonctionner à l'avenir. Je veux ouvrir une toute nouvelle ère, l'ère des matériaux à la demande, où chaque laboratoire peut facilement créer de nouveaux composés, dit-il. À l'avenir, espère-t-il, nous serons mieux placés pour faire face à la prochaine crise mondiale. Les problèmes du monde nécessitent des molécules, ajoute-t-il. Et en ce moment, nous craignons de les fabriquer.

Blessures de guerre

Aspuru-Guzik parle de manière exubérante, digressive et très rapide. Lorsque j'ai visité son bureau à l'Université de Toronto pour la première fois, il m'a montré une collection de masques de lucha libre (lutte mexicaine) - des cagoules bleu vif, vertes et roses ornées de motifs aztèques. Les masques sont un outil d'humanisation, dit-il. Vous amenez un lauréat du prix Nobel ou un cadre d'Hitachi dans votre bureau, et après avoir parlé pendant un moment, il est bon de s'arrêter et de dire : « Choisissez un masque. Prenez un selfie. Il est difficile de ne pas considérer les masques comme une métaphore de sa vie aux multiples facettes.

Aspuru-Guzik a grandi dans une famille mi-catholique, mi-juive d'écrivains, de musiciens et d'architectes. En tant qu'étudiant en chimie de 19 ans à l'Université nationale autonome du Mexique, il revenait d'une rave nocturne dans la ville de Cuernavaca. lorsque la voiture dans laquelle il se trouvait a dévié de la route et s'est écrasée. Les chirurgiens ont dû ouvrir son ventre pour réparer ses intestins et cautériser les vaisseaux sanguins rompus, le laissant avec une cicatrice qui s'étend, comme une ligne médiane, au centre de son abdomen.

Après ce premier contact avec la mortalité, il s'est engagé dans une vie d'aventures intellectuelles. Si un domaine de recherche l'intriguait, il le poursuivait, même s'il était ésotérique ou au-delà de son expertise.

À l'époque, la possibilité d'utiliser la modélisation informatique pour concevoir des molécules aux propriétés souhaitées, en renonçant à des expériences lentes et fastidieuses, suscitait un grand enthousiasme. Les scientifiques ont parlé d'une nouvelle ère de chimie virtuelle, mais cela n'a pas très bien fonctionné. Les ordinateurs étaient trop lents et les molécules trop complexes.

En parcourant les revues de la bibliothèque universitaire, Aspuru-Guzik est tombé sur un article sur les défis de la chimie moléculaire à l'intérieur d'un ordinateur. En 1926, le physicien Erwin Schrödinger avait publié une équation pour prédire le comportement des particules subatomiques, comme les électrons et les protons. Si vous pouvez modéliser mathématiquement une molécule au niveau subatomique, vous pouvez commencer à faire des déductions sur le matériau résultant : comment il se combine avec d'autres matériaux, à quel point il est dur ou mou, ou à quelle vitesse il se décompose. C'est du moins l'idée. Mais pour la plupart des matériaux, l'équation de Schrödinger devient trop compliquée, même pour le plus grand supercalculateur d'aujourd'hui.

Pour rendre les mathématiques réalisables, Aspuru-Guzik s'est mis à créer des versions de l'équation qui nécessitent moins d'approximations, les rendant plus précises - un projet qui est devenu le centre de ses études de doctorat à l'Université de Californie à Berkeley. L'objectif était de rationaliser les calculs au point qu'un ordinateur puisse les gérer, mais pas au point que le modèle devienne scientifiquement inutile. En utilisant les algorithmes d'Aspuru-Guzik, un chercheur pourrait modéliser - c'est-à-dire simuler - une molécule aléatoire et faire immédiatement des prédictions sur les propriétés de la substance résultante.

D'autres scientifiques avaient conçu des algorithmes similaires, mais ceux qu'Aspuru-Guzik a mis au point en tant qu'étudiant diplômé étaient suffisamment impressionnants pour lui permettre de trouver un emploi à Harvard lorsqu'il a terminé son postdoctorat à Berkeley. En tant que professeur adjoint à Harvard - et en tant que directeur du groupe de recherche Aspuru-Guzik, une équipe de 40 personnes composée d'informaticiens, de biologistes, d'ingénieurs, de physiciens et de chimistes - il s'est lancé dans une initiative appelée Harvard Clean Energy Project. La plupart des panneaux solaires utilisent du silicium pour transformer la lumière du soleil en électricité. Mais y avait-il des substances organiques bon marché et faciles à fabriquer qui pourraient faire le travail ?

DEREK SHAPTON

Les passions d'Aspuru-Guzik (en haut à gauche) vont des autocollants pour le street art à la robotique de laboratoire en passant par les masques mexicains lucha libre et la manipulation automatisée des fluides.

Pendant six ans, Aspuru-Guzik et son équipe ont effectué des simulations de 2,3 millions de molécules organiques différentes pour voir lesquelles pourraient avoir des propriétés photovoltaïques. Il n'était pas le premier chercheur à pratiquer la chimie virtuelle, mais il le faisait à une échelle sans précédent. La capacité de calcul accrue de l'époque signifiait qu'une seule molécule pouvait être simulée en quelques minutes; dans les années 1990, de telles simulations avaient pris des jours. Plus important encore, il avait accès à un espace de serveur apparemment illimité, dont une grande partie était empruntée aux appareils d'autres personnes. Dans un système proche de l'ancien Programme SETI@Home , les personnes souhaitant soutenir le projet pouvaient télécharger un économiseur d'écran qui prêterait temporairement leur disque dur à Aspuru-Guzik et son équipe. Nous avions l'un des plus gros superordinateurs au monde, dit-il, mais il était distribué sur toute la planète.

Au final, Aspuru-Guzik a découvert de nombreux matériaux organiques qui pourraient, en théorie, être utilisés pour les cellules photovoltaïques. Le problème était que ces molécules gagnantes étaient trop compliquées pour être fabriquées à moindre coût. Mon erreur, dit-il, n'a pas été de consulter des chimistes organiques au début pour savoir quelles molécules étaient facilement réalisables.

Avec le Clean Energy Project, Aspuru-Guzik avait essentiellement fait de la chimie combinatoire - l'ancienne approche par essais et erreurs - à l'intérieur d'ordinateurs plutôt qu'à l'intérieur d'un laboratoire. Puis, à partir de 2012, des chercheurs de Toronto et d'ailleurs ont fait une série de percées dans l'apprentissage en profondeur et d'autres méthodes d'apprentissage automatique. Comme de nombreux chimistes à la recherche de nouveaux matériaux, Aspuru-Guzik est passé à l'IA, ce qui lui a permis de découvrir des molécules de manière plus rapide et plus délibérée. Les simulations informatiques sont comme une mitrailleuse tirant au hasard dans les airs dans l'espoir d'obtenir un coup, dit-il. L'IA est un tireur d'élite. Il choisit une cible et vise.

Tout d'abord, il a dû former un réseau de neurones en lui fournissant un ensemble de données décrivant la composition moléculaire et les propriétés chimiques de 100 000 substances organiques. Le programme d'IA pourrait commencer à reconnaître des modèles, c'est-à-dire des corrélations entre une molécule donnée et la substance qu'elle forme. Il pourrait ensuite utiliser ces connaissances pour inventer des molécules candidates à synthétiser et à tester en laboratoire. Avec l'aide de l'IA, Aspuru-Guzik a découvert de nouvelles diodes électroluminescentes organiques, ou OLED, qui étaient plus lumineuses que les LED classiques. Il a également identifié de nouveaux produits chimiques à utiliser dans les futures batteries à flux organique, des batteries industrielles massives qui ne nécessiteront pas de métaux comme le lithium.

Entre-temps, il se lance dans le domaine naissant de l'informatique quantique . L'équation de Schrödinger est difficile à exécuter sur des ordinateurs classiques précisément parce que les électrons et les protons n'obéissent pas aux lois de la physique classique. Ils fonctionnent plutôt selon la mécanique quantique : ils peuvent être intriqués (se comporter de concert les uns avec les autres, même s'ils ne sont pas connectés), et ils peuvent exister en soi-disant superposition (occuper plusieurs états opposés en même temps) . Les mathématiques nécessaires pour modéliser ces phénomènes complexes sont également d'une complexité vertigineuse. Mais comme les qubits des ordinateurs quantiques obéissent également aux lois de la mécanique quantique, les dispositifs sont mieux adaptés, du moins en théorie, à la simulation de molécules.

En pratique, cependant, quelqu'un devait trouver comment faire fonctionner les simulations. En 2014, Aspuru-Guzik et une équipe de chercheurs ont lancé le Variational Quantum Eigensolver (VQE), un programme de modélisation de molécules, mais sur de petits dispositifs quantiques sujets aux erreurs qui, contrairement aux ordinateurs quantiques polyvalents, existent réellement aujourd'hui. Alors que l'équation de Schrödinger est une sorte d'abstraction - une formule mathématique destinée à décrire les particules subatomiques - le VQE utilise des bits quantiques pour imiter le comportement des particules dans une molécule, tout comme les joueurs d'une reconstitution pourraient effectuer la bataille de Gettysburg.

Avec le temps, à mesure que les entreprises développent des ordinateurs quantiques plus puissants, le VQE pourrait permettre aux chimistes d'effectuer des simulations d'une précision remarquable. Ces modèles pourraient être si précis que les scientifiques n'auront pas du tout besoin de synthétiser et de tester les matériaux. Si jamais nous atteignons ce point, dit Aspuru-Guzik, mon travail en science des matériaux sera terminé.

Lorsque Donald Trump a été élu président des États-Unis en 2016, la carrière d'Aspuru-Guzik était florissante, mais du coup la perspective de rester dans le pays ne l'attirait plus. Une semaine après les élections, il a commencé à envoyer des e-mails à ses collègues en Australie et au Canada, à la recherche d'un nouvel emploi.

L'Université de Toronto lui a offert un poste prestigieux financé par le gouvernement destiné à attirer des chercheurs de haut niveau dans le pays et une nomination conjointe au Vector Institute for Artificial Intelligence, une société à but non lucratif cofondée par le pionnier de l'apprentissage automatique Geoffrey Hinton qui fait rapidement Toronto une plaque tournante mondiale pour l'IA. La plus grande incitation, cependant, était la promesse de construire un nouveau laboratoire de matériaux radical appelé le Matter Lab, un projet dont Aspuru-Guzik rêvait depuis des années.

Merde

Dans le Matter Lab, nous n'attaquons un problème qu'après avoir posé trois questions, explique Aspuru-Guzik. Est-ce important pour le monde ? Si non, alors merde. Est-ce que quelqu'un d'autre l'a déjà fait ? Si la réponse est oui, cela ne sert à rien. Et est-ce possible à distance ? Ici, le mot à distance est clé. Aspuru-Guzik veut relever des défis qui sont dans la fourchette de faisabilité, mais à peine. Si un matériau est trop facile, dit-il, laissez les autres le trouver.

Situé dans un bâtiment en brique d'après-guerre au centre-ville de Toronto, le laboratoire ne ressemble à aucun autre à l'université. Le plafond est orné de panneaux acoustiques marron et bordeaux, un hommage au célèbre architecte mexicain Luis Barragán. Niché dans un coin discret se trouve un banc de laboratoire typique - une table avec des flacons, des balances et des béchers sous une hotte - où les étudiants diplômés peuvent pratiquer la chimie de la même manière que la génération de leurs grands-parents. On a l'impression que ce poste de travail n'est pas souvent utilisé.

Au centre se trouve un robot de 1,5 million de dollars - une enceinte en verre et métal remplie d'azote abritant un bras mécanique qui se déplace d'avant en arrière le long d'une piste. Le bras peut sélectionner des poudres et des liquides à partir d'un ensemble de bidons près des côtés de l'enceinte et déposer le contenu, avec une précision extrême, dans l'un des nombreux réacteurs. Le robot est comme un assistant de laboratoire infatigable qui mélange des produits chimiques 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, explique Aspuru-Guzik. Il peut fabriquer 40 composés en seulement 12 heures.

Deux fonctionnalités supplémentaires rendent la configuration expérimentale du Matter Lab unique. Le premier est un logiciel conçu par Aspuru-Guzik et ses collaborateurs, appelé ChemOS. Il comprend un système d'IA qui génère des molécules candidates et un programme qui s'interface avec le robot, le dirigeant pour synthétiser des candidats à la demande.

Le nouveau laboratoire de matériaux de Toronto combine des équipements de chimie conventionnels et les dernières avancées en matière d'automatisation et d'intelligence artificielle.

DEREK SHAPTON

La deuxième caractéristique distincte est la nature en boucle fermée du processus de production. Pour expliquer comment cela fonctionne, Aspuru-Guzik pointe du doigt une paire de tuyaux étroits à l'arrière du robot. C'est là que le pipi sort, dit-il. Une fois qu'une réaction est terminée, le liquide résultant s'écoule à travers les tuyaux en plastique vers une machine analytique de la taille et de la forme d'un mini-réfrigérateur, qui sépare les sous-produits indésirables. Le matériau raffiné ira dans un autre robot qui le testera pour en savoir plus sur ses propriétés. Ensuite, le robot réinjectera les résultats de l'expérience dans le programme ChemOS, permettant à l'IA de mettre à jour ses données et de générer instantanément une nouvelle et meilleure liste de molécules candidates, jusqu'à ce qu'après des séries de prédictions, de synthèses et de tests, un gagnant émerge. .

L'idée d'un système de découverte automatisé en boucle fermée est, en partie à cause du plaidoyer inlassable d'Aspuru-Guzik, devenue de plus en plus populaire parmi les nouveaux praticiens de la chimie. Des pairs à Vancouver, New York, Champaign-Urbana et Glasgow construisent des installations similaires. Ces laboratoires sont conçus comme des espaces polyvalents et automatisés de création moléculaire. C'est pourquoi Aspuru-Guzik ne spécule pas trop sur ce que, spécifiquement, le Matter Lab produira ensuite. De telles décisions seront dictées par la curiosité, peut-être, ou par les impératifs d'une crise mondiale.

Faire une marque

En 2020, Aspuru-Guzik a connu une période de prise de poids précoce en cas de pandémie, ce qui a provoqué la réouverture de sa plaie chirurgicale. En même temps, il se sentait piégé et ennuyé par le monde 2D des appels Zoom et frustré de ne pas pouvoir se promener librement dans son laboratoire. Sa vie professionnelle harassante avait laissé peu de place au genre de poursuites sans but – ou apparemment sans but – qui, dans le passé, avaient favorisé des percées créatives. Il avait besoin de changement.

Quelques mois plus tard, il a commencé à gribouiller sur son ordinateur, dessinant un masque de lucha libre ressemblant à Screamin’ Jay Hawkins, le pionnier du rock’n’roll connu pour sa voix d’opéra et ses bouffonneries macabres. Il a nommé le personnage Bruho (variante de brujo, sorcier en espagnol) et a décidé d'imposer son œuvre dans le paysage urbain. Il a acheté une imprimante d'autocollants et a commencé à coller l'avatar de Bruho sur les boîtes aux lettres et les lampadaires. Bientôt, il fait partie de la scène street-art animée de la ville.

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Aujourd'hui, Aspuru-Guzik a deux objectifs pour le futur proche. Le premier consiste à concevoir une version modulaire et abordable de son système en boucle fermée qui puisse servir de modèle aux scientifiques du monde entier. Il souhaite construire une boîte de laboratoire tout-en-un, contenant le package ChemOS ainsi que des robots de synthèse et de caractérisation. Avec cet appareil, un utilisateur saisira une description d'un matériau donné, et le système simulera et testera immédiatement les molécules candidates. Si nous voulons inaugurer une nouvelle ère de matériaux à la demande, explique Aspuru-Guzik, la technologie doit proliférer et elle doit être facile à utiliser.

Son deuxième objectif à moyen terme est de marquer de son empreinte artistique la ville de Toronto.

Quelques jours après ma visite au laboratoire, je l'ai rejoint, lui et son équipe, pour une nuit d'autocollants et d'affiches. Comme son travail sur les matériaux, cela aussi était collaboratif. Notre groupe de huit personnes comprenait Soap Ghost, une jeune femme distante avec des tatouages ​​​​à manches longues; Urban Ninja, un homme nerveux d'âge moyen qui est arrivé en tirant une charrette avec un seau de pâte de blé, un adhésif liquide fait maison ; et Life, un insomniaque silex, les cheveux coupés en deux, un demi-teint en blond comme ceux de Cruella de Vil. Je continuerai jusqu'au lever du soleil, me dit-il, courageux. Tout le monde avait des paquets d'autocollants ou des rouleaux d'affiches qu'ils avaient eux-mêmes conçus.

À Toronto, ce genre de street art, qui ne nécessite pas de peinture en aérosol, est passible d'amendes (même si la police détourne souvent le regard), alors nous avons agi rapidement et furtivement. Ninja nous a emmenés dans une allée jusqu'au mur de contreplaqué nu d'un bâtiment barricadé, et nous sommes descendus dessus avec nos pinceaux, couvrant la surface avec la pâte et la tapissant d'images - un bouddha barbu, un rat jouant du ukulélé, un Figurine Bruho, vêtue comme un Jedi. L'assemblage n'avait pas beaucoup de sens visuel, mais il avait une sorte de beauté anarchique. Dans un laps de temps incroyablement court, le vide avait cédé la place à la multiplicité, et Aspuru-Guzik était ravi. Ce mur était vierge il y a une minute, s'exclama-t-il. Regardez-le maintenant.

Simon Lewsen est un écrivain de magazine basé à Toronto .