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《这种“特立独行”的神奇材料 将让“钢铁侠”装备变为现实》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-03-10

  • 你知道世界上最“黑”的材料是什么吗？近期，国外一所学院的研究人员利用碳纳米管制造出一款材料，可吸收99.96%以上的入射光，堪称材料家族中的“黑洞”。无独有偶，同样是碳纳米管材料，研究人员利用超过1.4万个碳纳米管晶体管，制造出16位微处理器芯片，并向世界发出了“Hello, World”的信息。 　　

    碳纳米管，作为一种拥有特殊结构的一维量子材料，具备诸多超乎寻常的力学、电学、热学等物理性能和化学性能。请看—— 　　性能优异的“材料之王” 　　

    在碳纳米管没有出现在世人面前之前，硅是半导体家族中当之无愧的“王者”。现有每个晶体管的核心都是由硅制成的半导体组件。根据晶体管的“开启”和“关闭”状态，来显示是否有电流通过，进而在计算机中呈现出1和0的“计算机语言”。只不过，硅晶体管目前在体积和性能上逐渐面临发展瓶颈，人们于是将更多地目光集中到碳纳米管等新兴材料上。 　

    　碳纳米管又名巴基管，是一种由呈六边形排列的碳原子构成的数层或数十层的同轴圆管，管的直径一般为2到20纳米。与头发丝相比，碳纳米管的直径只有它的几万分之一，目前公开报道的最细碳纳米管直径为0.4纳米。正是由于碳纳米管几乎只有原子那么厚，且可以很好地传输电流，人们才能用碳纳米管制造出比硅更好的半导体。 　　

    研究表明，碳纳米管处理器的运行速度比硅处理器快2倍，功耗却只有硅处理器的1/3，性能优异的新一代电子产品“王者”呼之欲出。 　　

    事实上，碳纳米管还有着许多堪称“特立独行”的神奇特性。作为迄今为止人类发现的力学性能最好的材料，碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂应变。与型号ASTMA228的高强度钢相比，碳纳米管的强度是它的270倍，弹性约为它的5倍，密度却只有它的1/6。 　　

    此外，碳纳米管在电学、热学和光学等方面也有着超越传统导电、导热材料的优异表现。从理论上讲，碳纳米管的导电效率是硅的10倍，一旦碳纳米管得到广泛应用，“硅谷”可能就真的名不副实了。 　　

    早在1985年，“足球”结构的富勒烯一经发现，立刻引来了全世界的目光。以“足球”结构为基础，稍加改动，就可形成具有中空圆柱状结构的碳纳米管。1991年，日本研究人员首次在碳纤维中发现了碳纳米管。随后，研究人员又发现了碳纳米管优异的导电性等诸多性能。目前，人们正在向着批量制备单根长度达到米级甚至公里级以上的碳纳米管而努力。 　　

    想要“驯服”碳纳米管这一“材料之王”实属不易。虽然碳纳米管是一种半导体，但其目前的制造过程需要用到金属，不可避免地会在成品材料中混入金属杂质。同时，将碳纳米管转化为电子元器件，需要将纳米管放置在极其精确的位置上。目前，人们还没有掌握能让碳纳米管在特定位置生长的方法。碳纳米管也对其“出生”的“产房”提出了极高要求：一旦环境温度过高致使催化剂失去活性，碳纳米管就会停止“生长”；相反，如果控制上稍有差池，碳纳米管又会“疯狂地生长”。 　　

    事实上，早在2013年，有关研究人员就制造出了拥有178个晶体管的第一台碳纳米管计算机，其中每个晶体管包含大约10到200纳米长的碳纳米管。如今，已有直径约为1微米的碳纳米管计算机晶体管研制成功，每秒能开关约100万次。此外，研究人员还发现碳纳米管有着优异的储氢性能，有望成为氢能电池的制造材料，可广泛应用于电动车、潜艇、电力机车等领域。 　　

    人们还计划将千千万万根碳纳米管拧在一起组成宏观纤维，这种被称为“终极纤维”的碳纳米管纤维，将对21世纪高端科技发展具有重大战略意义。一旦人们在“驯服”碳纳米管领域取得突破，一场由碳纳米管发端的科技革命即将“引爆”全球。 　　

    应用前景或将改变世界 　　在地球和月球或太空基地之间搭建一座“太空天梯”，这一场景曾出现在包括《三体》在内的诸多科幻小说中。要想建造月地“太空天梯”，就要能找到一种能跨越38万公里距离且不被自身重量拉断的材料。作为迄今为止发现的力学性能最好的材料之一，碳纳米管有着极高的拉伸强度，或将助力人们从地球“爬向太空”。未来，人类进入太空或运送物资进入空间站，或许就能像乘坐电梯一样来去自如。 　　

    同样借助于碳纳米管独特的力学特性，研究人员正尝试研究制造诸如“拉不断”的绳子、“扯不破”的纤维布和“打不透”的防弹衣等“黑科技”产品。风力发电机使用的叶片，对材料的强度和刚度要求极高，利用碳纳米管纤维制成的增强复合材料将成为最好的选择。碳纳米管纤维增强复合材料还具有极好的抗疲劳性，在桥梁、建筑中应用，不仅可以提高强度和抗震能力，还将延长其使用寿命。未来，包括高尔夫球杆、钓鱼竿、网球拍、自行车、汽车、高铁列车等，都可以选用碳纳米管材料。 　　

    把能量储存到碳纳米管中，类似“钢铁侠”一般的装备也将成为现实。目前，国外某实验室正牵头研发一种能够对外提供电能的新型服装。这种将碳纳米管变成纺织面料的服装，将为战场上使用的照明装置、夜视仪和通信设备等提供电力供应，势必进一步减轻单兵负担。 　　此外，有研究人员还通过合成碳纳米管材料，研制出一种能灵敏感知压力变化的传感器织物，可在运动训练领域发挥重要作用。人们还尝试将碳纳米管制成透明导电的薄膜，用作触摸屏的替代材料。 　　

    关于碳纳米管的未来应用还有许许多多。由于特殊的结构和介电性质，碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能，是一种有着光明前途的理想微波吸收剂，可用于隐身材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。同时，研究人员畅想将碳纳米管制作成可注射入人体内的微型芯片，还计划将碳纳米管打造成能杀死人体内癌细胞的纳米机器人。 　　

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  • 《“中国必须突破新材料核心技术” 干勇院士：新材料与新能源汽车》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-11-21
    • 2019年11月18-20日，由中共宁乡市委、宁乡市人民政府主办，宁乡高新技术产业园区管理委员会、宁乡市委统战部承办，起点锂电大数据、起点电动网、SNEC新能源企业家俱乐部联合主办的第5届中国（宁乡）新能源企业家年度峰会暨固态电池技术论坛（同期第5届起点金鼎奖颁奖典礼）在长沙宁乡通程温泉大酒店隆重举行。 来自300+电池厂/主机厂 500+材料设备企业领导相聚宁乡，共谋新能源产业发展。 在19日举行的开幕式论坛上，中国工程院院士干勇先生作《新材料与新能源汽车》报告。以下为现场实录： 图：中国工程院院士干勇 尊敬的旭明市长、钟利仁部长、主持人： 非常高兴来参加宁乡新能源产业3.0时代高端论坛，我在几天前刚到长沙参加了新材料协会论坛，上刚刚做了一个报告，是《制造强国的基础能力建设》，因为这是中材办交给工程院的任务，整个制造业发展有新动态和挑战。而新材料与新能源汽车，切合今天的主题，我改的比较匆忙，我是想交流一下。 工程院做工程科技发展战略时，本来就是战略咨询单位，是一个智库，像国务院和各个部委递交各种重大的工程战略咨询报告，国家科技发展和未来10到15年的全球格局和产业分工体系将发生深刻变革，产生基础能力提升。又根据新的材料和与美国全面的较量已经成为常态，下一步怎么办？所有的制造业强国的领域都是瞄准的重点，国际环境的深刻变化，美国优先、中美关系发生变化，是保护主义和我们的多边主义到连纵主义的较量。 一大批新技术将广泛应用，更多新技术突破继续涌现，通过网络通信和感知、工程控制、机器人、人工智能来提高我们先进技术的水平。 还包括高端装备，提了7个领域，一会可以看一下。还有新材料、生物、新能源，包括绿色环保和产业模式的变化，这里面就涉及到制造格局的深刻变化。以美国为首的发达国家想把新兴国家和资源提供国家进行打压。制造业比重方面，中国在下滑，发展动力不足，出现了过度去工业化的现象，占GDP的比重方面，较2017年下降了29.3%。资本逐利特性大量涌入房地产和金融业，产业结构仍处于中低端，产业附加值低，企业家对发展前景信心不足，中国10个银行的利润占了中国金融500强公司利润的50.7%。 还有一些核心技术、工业“四基”和关键装备受制于人，包括产业的体系、算法、设计、代工、生态环境等，已经是核心短板中的重灾区，包括人工智能高端传感智能也垄断在国外的企业手里。我们统计了130多种高端技术材料，32%是空白，特别是信息技术的特种材料。 中国制造10个重点领域里面有7个领域，包括装备、数控机床、机器人航空航天、海洋工程、新能源汽车、电力装备、智能电网等，信息技术和新材料是基础，包括生命科学。现在信息技术和能源技术的发展，新材料的开篇已经有所变化，正在提升，现在提出“超高性能”“超高纯度”，这是新材料发展的特点，要做中长期的打算和战略安排，很多地方是拼命赚钱都赚不到钱，但是也砸，不砸就跟不上。 新材料是国家高端材料的壁垒，垄断性越来越强，日本东丽垄断了碳纤维，美国铝业垄断了飞机使用金属材料80%的专利。 学科的交叉，包括基础学科的突破，使材料有了新的变化，物理深度融合诞生了高温超导材料。 当然中国的材料体系非常完整，我们是大国，将近20多种材料在全世界的数量都是第一，钢铁占了52%，水泥占了56%。 数量和材料的专利的任务也达到了全世界第一。这些过程中，特别是锂电池、新型电池材料等发展很快。半导体照明、高性能钢材料等，我们都有长足的进步。 抢占未来制高点，新材料还在不断涌现，我们不能放过。转方式、调结构，由于重大工程、高端装备的需求，中国必须突破新材料核心技术。 高端新材料是重大工程成功的保障，材料是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础。 最近正在做2030的重大课题专项，对新材料，中国的任务很重，这是强国的表征。数万台发动机在今后十年当中表现出来。 所有的制造业核心元器件的应用，这些高附加值产品往往都是国外提供，我们做集成、装配、加工中心。材料分成13类。 高端装备特种合金，先进钢铁，还有海洋的深海用材。 我们晚了20年，目前600度超强零件的基础中国改造了3亿多千瓦，占全世界80%以上，非常成功，而且出口占据国际市场的30%左右。 深海油气开采的关键材料，这些核心的高端空白，低端不能用。 高端装备，特别是轴承，包括汽车轴承、高铁轴承、数控机场轴承，几乎全部都是进口，160公里以上的动车组所有的高端轴承全部进口，每年高铁进口8万到9万套轴承。包括汽车自动变速器。 为了适应汽车批量化，中国吉帕级高性能汽车钢板，而且迅速占领了国际国内的大量市场，都是以强化为主，包括淬火配分，对汽车的轻量化起了决定性的作用，性价比非常好。车身制作284公斤，减轻了17%到29%的重量。 所以在与其他钢，其他国内外厂商，206家在应用，累计供货141万吨，占领国内市场超过60%。 高温合金，这是发动机核心材料，我也不谈了。 钛合金、铝合金，这里面已经制定了轻量化的规划包括先进民用飞机、海洋石油工程。 钛合金是非常遗憾的领域，钛合金的性能非常好，海洋、天空、陆地，这是第四代革命性的材料，轻，比强度高。但是长时间来，就在5万吨、7万吨徘徊，去年达到了7.4万吨，而且包括湖南的众多高端钛合金生产装备已经起来，但是很奇怪，钛在地球的储量是铜的80倍，全世界用钛合金在用到20万吨，在地球上什么储量最大，什么东西才便宜，像铁。只有钛储量多，但是价格昂贵。一定有一种低成本的技术没有被突破，现在正在找这种技术。原来使用镁还原得到海盐钛，中国的技术还在继续进行，我们走在前面。 镁合金，有两个问题，腐蚀性、强度，这两个问题都得到解决，丁院士在镁系统合金中采用各种技术，非常好的协同强化效应。包括耐蚀性，现在通过超声阳极氧化法，和镁合金完全一样，我们每年供应95%以上，国内的镁大量的应用，最近应用到20多万吨，每辆汽车上平均应用不到5公斤。所以希望通过一系列技术来减轻重量。 现在飞机上如果用镁合金将是极大的减重，镁合金有一个致命缺点高温自燃，所以波音他们最近签订了协议，美国的FAA计划将于年内取消商业飞机禁镁的禁令。 在高铁、地铁、摩托车、3C产品的应用，包括电池上的应用，镁干电池，海水激活电池，这非常有前景。 镁合金的弹性模量与人的骨头相当，易降解。我们希望10到15年后镁合金汽车行业用到150万吨左右，这是庞大的减重计划和目标，国家的轻合金制造创新中心正在筹备。 2020年要有20万吨左右用到车身板，到2050年大概有30万吨左右用到车身板。 铝加工，大型的铝的挤压件完全国产化，而且都是由很多民营集团来实现的。 新一代飞机大型整体式的结构件。高性能陶瓷与玻璃这里面对陶瓷材料不讲了。范景莲教授做了很多工作，最近2个陶瓷材料的院士，很厉害。 2020年需求预测，能量转化1.5万吨。新型高分子材料，民用交通和医疗卫生用聚烯烃材料，食品安全用钛系催化环保型聚酯。 高性能纤维与复合材料，碳纤维符合材料一定是各种交通工具应用的材料主体。国产化碳纤维低成本化，特别是汽车领域的应用，最近看到宁波所，他们在碳纤维汽车上面的应用做了大量的工作，中车也在大型的高铁上采用车体材料碳纤维的实验，将会为我们大规模的发展。 稀土新材料，资源第一、产量第一，是重要的战略优势资源，5月20号习总书记视察了基地，使用了4公斤的稀土，猛禽战斗机实现了超音速巡航功能。惯性导航的系统材料。 卫星、飞船的姿态控制、轨道调控都是材料的应用。先进战机多用发动机，包括机器人、数控机床。 包括了催化材料、高性能的稀土永磁材料用于全车数十个电机和传感系统，特别是磁动力系统。 现在在城际列车上大量应用，千瓦的电机已经出来节能18%到30%左右。 下一步创新点，是磁在新能源汽车里面得到大量的应用。 磁的创新点在哪里？磁动力体系上，永磁调速之后，中间可以是柔性连接，这样没有摩擦、没有接触、没有润滑。永磁轴承有悬浮轴承，应用转子动力学、机械学、电工电子学，无噪音、噪音小、耗能低。潜艇的隐身能力大大加强。 永磁制动，应用在电梯安全永磁制动系统、汽车永磁缓速器、轨道交通永磁制动器。 永磁齿轮、变速已经完全不用齿轮摩擦了。 所以永磁的产业非常大，我认为应该发展起来，磁产业应用方向，涉及战略性达9个门类。 混合动力技术可用于氢燃料汽车，这是非常好的方案。 每辆混合动力汽车要超过10公斤，价格很低，这非常有用。 包括催化剂，催化剂材料给我们压力很大，基础研究不足，国六突围，必须在轻稀土上打一个漂亮仗，在北京催化剂的研究院。 新型显示材料，主要是激光显示材料。 第三代半导体材料，支撑绿色、智能、泛在技术，满足国防安全、信息安全、智能制造、节能减排。第三代半导体的需求将会上来。美国2030年的用电，他与2018年相比，发电量降低11%。 新能源汽车发展趋势，美国DOE规划2020年到2025年，效率、密度、成本必须要达到新的高度，效率、电控达到98%，密度100千瓦每升，成本2.7每千瓦每美元。 所以第三代半导体优势就出来了，相比SI，有3倍的热导率，有3倍带宽度，10倍击穿场强，高电流密度、高开关速度高温，低导通电阻，冷却系统简化，更高效率。体积可以减少到三分之一到五分之一。系统的物料成本大幅度的下降。 电动汽车用功率半导体模块的占比，到2023年要达到50%。车联网和能源互联网是相通的，有巨大的结合作用，对国内碳化硅的发展历程，国家材料委员会和重大专项的编制组做了新的安排，所以电力电子技术启动，碳化硅6英寸产品成熟，国际有一些差距，但是我们的水平正在提升，包括株洲团队，他们在高铁的IPTV上做的很漂亮，在6寸的碳化硅上做了很多工作，20多家汽车厂商已经在车载充电机中使用碳化硅。主要用于电能转换、电机驱动、充放电、电源变换三大产品领域，这是我们的方向。 绿色能源，2020年锂离子动力电池单体的比能量达到300万。新型锂离子电池，国家成立了锂电电池的创新中心，现在是在高容量三元材料大量应用，硅碳符合材料必须上来，可能突破350瓦时的能量，最后是全部钛电池已经接近成熟。探索富锂锰基固态电池，锂硫电池。 新能源汽车发展将推动全球能源资源需求发展重大变化。 全球新能源汽车产业已进入快速发展期，2035年中国新能源汽车产量将占汽车总产量60%。 全球新能源汽车产业进入高速发展阶段，2018-2035年，中国汽车产量将从2781万辆快速增至4600万辆，新能源汽车产量将从127万辆快速增至1700万辆。到2020年，新能源汽车产量将达到200万辆，新能源汽车的发展将使全球石油消费的顶点和提前到来，中国少用2亿吨石油，因为用电代替的石油，中国的电是用煤，所以是煤电转换比，威胁美国的石油体系，甚至影响俄罗斯、中东地区的经济发展，进而影响全球能源格局，这是新能源汽车带来的冲击，如果2035年达到这样的产能，中国石油消费顶点提前到来，拉动铝、铜消费的需求，将使铜需求量从8万吨增长180万吨。 锂、钴搭起了煤炭和石油转换的桥梁，是国家能源安全的重要组成部分。而且全球资源分布集中，国际市场垄断程度很高，所以我们要小心，垄断程度高于石油，现在到各个地方可以买到石油，但是钴、锂垄断性还是很厉害的，所以要培养世界级大新新能源汽车企业，实现汽车产业弯道超车。积极寻求境外石油合作开发，提高多元化供应水平，这里面潜力巨大。 我在每一次会议上都补充新能源电池，从氢还还原氧化铁，二氧化碳减到零，二次能源成本偏高，高碳向低碳发展这是必然的，在韩国召开的世界气侯大会委员会上，1888年到2018年，地球的维度提升了0.86度，这温度的提升，看气侯的变化非常奇特，非常恶劣的天气不断出现。所以到本世纪末，如果温度提高2度，最多1.5度，这是什么概念，10年之内要出现一圈北极冰没有了，2050年二氧化碳排放要大幅度减少，全球进入氢能时代，占能源比重的18%，所以氢时代的到来，固体能源到液体能源到气体能源的转换，从不可持续到可持续，从集中式到分布式，从多碳到无碳。减排60亿吨的温室气体。 氢能未来，抓住当下的机遇，他认为聚焦四个机会，充分利用现有的工业港口，将其转变为低成本、低碳、氢能的枢纽，支持运输车队、货运通道使产生更大的竞争力，柴改氢。国外氢能的发展我不说了，氢能作为极具发展潜力的二次能源，具备转换灵活、容易获取等特征，国际能源署和全球氢能委员会均发布的路线图和相关文件。 包括各国的氢能发展，2018到2050，我就不细说了，美国到3个30万辆，在路上跑的氢燃的汽车，现在现在只说到2030，100到150万辆。 如果作为基础设施部分，2030年到100万辆，大概是5000多座，每年需要大概400万吨所有的氢能利用。日本到2025年到3个30万台新燃料电池。 国内已经形成6个集群，完整的产业链正在形成。 京津冀、华东、东南、华北，动作非常快，因为各省的资源禀赋不一样，要因地制宜。为什么山东这么积极全省做规划，有两横两纵的交通线的氢走廊，化工大省，是因为氢气产能庞大，巨型车企引领，山东重工目前投500个亿建立氢能的平台。 山西每年6亿吨煤输出来，他准备将1亿吨煤变成氢气输到周边的省市。 四川，建设全国优质清洁能源。 海南，2030年不准燃油车进入海南，对氢能的发展已经全面的规划，内蒙也是，煤气也是丰富的。在氢的利用上，我认为是在中型卡车、大巴的应用，乘用车的布局非常困难，首先是要补贴下去。中国燃料电池汽车和氢能的现状，41家整车企业，56款燃料电池汽车车型，25家燃料电池系统公司。 港口的重型机械，也可以利用，重卡、柴油这是一个方向，集中布局氢燃料电池，全国汽车保有量，柴油车占了9.6%，但氮氧化物占了78%。 我们统计了每个港口的出货量，按每车运输30吨，柴油量巨大，氢气每个月120万吨，大量的减排。 唐山是非常好的例子，1.3亿吨的钢铁产能的物流巨大，首先用煤气来布局加氢站，所以国际商已经开始重卡了。 燃料电池现状不说了，最后主要是区域性的大格局，氢能的运输重要，管道运输的成本非常便宜，如果使用车，每年运输的成本24亿，材料方面不再说了，这也是材料大的产业，包括聚合物的气瓶。 国家目标的发展，CCM的纳米、微米复合材料的使用。 中国制造业与国外制造强国相比，新能源汽车，国际领先5类，通信设备、先进轨道交通装备、输变电装备、纺织、家电。 我的发言就到这里，谢谢大家。
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  • 《为实验科学家量身打造的“钢铁侠贾维斯”智能助手》
    • 来源专题：先进材料
    • 编译者：李丹
    • 发布时间：2023-11-12
    • 来自材料牛 【成果导读】 人工智能以及自主实验室目前主要由Python等语言编写，但并非所有实验科学工作者都擅长这类编程语言，因此其在真实世界实验中的影响力还是比较有限。然而，基于OpenAI 最近发布的ChatGPT API函数调用功能，打造一个曾经只能在钢铁侠电影中看到的贾维斯智能助手现已成为了可能。近日，MIT李巨教授组开发了一个实验科学家的人工智能助手CRESt（Copilot for Real-world Experimental Scientist），其后端是用ChatGPT作为核心串联起①真实世界的机械臂进行自动化实验，②本地或网上专业的材料数据库，③优化材料配方的主动学习算法。前端已经实现了voice-in voice-out，AI生成语音，以及多平台无缝切换。有了CRESt之后，即使没有任何代码经验，科研工作者都能通过与其口头对话来利用自动化实验平台帮自己做实验。 相关成果以“CRESt – Copilot for Real-world Experimental Scientist”为题上传于预印本平台ChemRxiv。 核心创新点】 CRESt“操作系统”主要由四部分组成：用户界面，ChatGPT后端，主动学习和末端执行器。用户界面基于chatgpt-voice，一个支持语音转文本和文本转语音交互的Github项目。其便捷的网络框架使得用户可以在离开实验室后在他们的手机上无缝地继续对话——因为后端是独立运行的，即使前端改变也不会受到影响。此外，作者还将可以实时生成非常逼真的人声的ElevenLabs AI语音集成到了前端中。 从前端收到的文本消息随后将被传输到建立在CallingGPT基础之上的ChatGPT后端。CallingGPT是另一个Github项目，其能将Google docstring样式记录的Python函数转换成ChatGPT API可以识别的JSON格式，以供在ChatGPT认为需要时调用。此外，它在ChatGPT和本地Python函数库之间闭合了一个反馈回路：ChatGPT所建议调用的函数将立即在本地执行，并且其返回值将被发送回ChatGPT。 除此之外，作者还在CRESt中嵌入了主动学习算法。得益于在小数据集上不错的性能，主动学习被认为是最适合实验科学的机器学习算法之一。在涉及真实物理世界实验的机器学习项目中，数据采集往往是最大的挑战。与虚拟世界不同，真实物理世界中的每一个数据点可能都需要花费大量的时间和金钱。一般来说，一个1000个点的数据集就已经是相当不错的了。在这样的条件下，如何对设计空间进行高效取样变得至关重要。主动学习的主要功能是交互式地建议在下一批实验中测试的参数组合，比如在视频中展示的合金配方推荐。在CRESt中内嵌的是由Meta团队开发的基于BoTorch的Ax平台。Ax有着优秀的SQL存储功能：即使GPT后端重置，也可以通过调取数据库中存储的记录来继续之前的主动学习。 末端执行器是一系列通过HTTP请求调用的子程序。其中一些可能涉及信息检索任务（本地或公共数据库查询，如Materials Project），而其他一些可能会对物理世界产生真实的影响，就像在视频中展示的那样（液体处理机器人、激光切割机、泵、气阀、机械臂等），主要是用于做实验的一些自动化的硬件。这些设备的自动化主要由PyAutoGUI实现，一个可以模拟人类鼠标和键盘动作的Python库。然而，作者预期这个冗余步骤最终将失去其必要性，因为在不久的将来大多数实验室设备都应该会在人类交互界面之外提供一个专用的AI通信接口。 【成果启示】 大语言模型可以为科学和工程领域带来什么？这是作者团队自ChatGPT问世以来一直在思考的问题。毫无疑问，大语言模型已经展示了其作为文献整理员的超凡潜力，我们需要做的只是在预训练过程中向其提供更多的文献全文。除此之外还有哪些可能性呢？除了我们以CRESt形式开发的实验员助手的角色，我们设想大语言模型至少还会在以下三个维度发挥革命性的作用： 仪器技术指导员。目前，研究人员必须理解他们希望利用的任何技术的理论基础，以及个别仪器的具体操作（有时是基于经验的“技巧”、“手艺”），而这些操作可能会因制造商而异。后者往往意味着不可忽视的时间成本，例如一个公共仪器的一系列培训课程，或者阅读一个组内仪器的200页说明书，以及上百小时的实操练习。但我们冷静下来思考一下，这些步骤真的是必要的吗？我们预见，在不久的将来，研究人员只需要清楚地用自然语言表达他们的需求，大语言模型就能够将这些需求翻译成最佳的参数设置（其实这就是现在一些仪器专家正在做的事情，了解客户的需求，并转化成仪器参数设定/操作）。当必要时，大语言模型也可以将说明书中的对应部分提供给用户以便用户了解详情。从技术上来说，仪器制造商只需要适当地微调一个大语言基础模型，让其学习公司内高级技术员所掌握的仪器操作经验即可，这件事从今天就能开始做。 流水线诊断师。结合了多传感器的机器人或无人机后，大语言模型可以帮助确定实验可重复性不佳的根本原因。在未来，最理想的实验范式是记录每个样品整个生命周期中的所有元数据。当出现无法解释的现象时，所有相关的日志数据都将被输入到多模态大语言模型进行分析。利用其优秀的假说生成能力，大语言模型可以提出一系列潜在的原因，以供人类专家进一步调查他们认为最有可能的几个假说。这种方法也可以应用于工业流水线——如果注意到生产产量/良品率大幅下降，大语言模型可以通过对比流水线历史记录来识别"罪魁祸首"。只有需要复杂的现实世界操作时，人类工程师才需要介入，除此以外大语言模型可以直接对大概率出了问题的子环节进行参数微调。实现这个角色的前提条件是大语言模型可以处理大量的图像（视频），且其性能取决于多模态信息（样品元数据，视觉信息，声音信息等）的对齐程度。 机理猜想者。我们预期大语言模型十分擅长将已建立的科学原理用于解释新的实验现象。科学机理探索阶段的很大一部分工作都是模式匹配型工作（例如，从光谱中提取微小的特征并与标准数据库进行比较），这些都在大语言模型的能力范围内。在不久的将来，这个工作流将会变的非常简单直接，我们只需要问大语言模型：我们制备并测试了一个样品，它的成分是xxx，处理工艺和参数是xxx，其性能是xxx。这是所有的表征结果（扫描电子显微镜，X射线衍射等），请给出10个理由详细表述为什么这个样品的性能这么好。人类研究者可以从大语言模型生成的一系列叙述中筛选出最合理的解释，并以此为基础完善整个机理解释。然而，这个任务是所有我们预想的大语言模型的角色中最具有挑战性的，其实现的前提条件包括（i）图像输入和与科学术语的对齐，（ii）从专业物理科学数据库中检索特定信息的能力，（iii）大语言模型在科学期刊正文和附录的预训练，（iv）大语言模型有能力调用一系列前沿的子领域的机器学习模型或是仿真模型。 CRESt只是大语言模型协助科学家的一个起点，我们相信大语言模型的真正潜力在于其假说生成能力。人类拥有相对有限的知识库，但出色的因果推理能力使得我们能够给出虽然数量不多但一针见血的假说。相比之下，人工智能有着广泛的知识库以及从大数据中提取统计信息的能力，因此它们可以在短时间内生成大量的，没那么精准的假说。因此，这不是一个人工智能与人类竞争的故事，而是人工智能补足人类短板的故事。在“AI suggests, humans select”的合作模式下，双方都能发挥出各自的优势，“各尽其才”。 原文详情： 视频介绍：https://youtu.be/POPPVtGueb0 预印本地址：https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2023-tnz1x
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