有關(guān)化學(xué)合成的文獻(xiàn)數(shù)量快速增長(zhǎng)；然而，實(shí)驗(yàn)室之間共享和評(píng)估新流程需要很長(zhǎng)時(shí)間。

在此，來(lái)自加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)（UBC）和英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種方法，使用通用化學(xué)編程語(yǔ)言（χDL）在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的四種不同硬件系統(tǒng)上編碼和執(zhí)行各種化學(xué)反應(yīng)的合成程序，包括還原胺化、成環(huán)、酯化、碳-碳鍵形成和酰胺偶聯(lián)。每個(gè)反應(yīng)大約有 50 行代碼，所提方法使用抽象來(lái)有效地壓縮化學(xué)協(xié)議。

不同的機(jī)器人平臺(tái)始終如一地產(chǎn)生預(yù)期的合成，每步產(chǎn)量高達(dá) 90%，從而實(shí)現(xiàn)更快、更安全的研究工作流程，可以通過(guò)數(shù)量增加而不是規(guī)模擴(kuò)大來(lái)提高過(guò)程的吞吐量。

該研究以《Universal chemical programming language for robotic synthesis repeatability》為題，于 2024 年 1 月 11 日發(fā)布在《Nature Synthesis》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44160-023-00473-6

科學(xué)中的「可重復(fù)性危機(jī)」

可重復(fù)性和可證偽性對(duì)于科學(xué)研究至關(guān)重要，但已發(fā)表數(shù)據(jù)量的不斷增加使得確保已發(fā)表結(jié)果的驗(yàn)證變得越來(lái)越困難。此外，自動(dòng)化和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展和集成目前正在改變化學(xué)領(lǐng)域。

目前，缺乏對(duì)成功和失敗的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行編碼和記錄的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，阻礙了復(fù)雜數(shù)字工具的使用，從而對(duì)研究進(jìn)展產(chǎn)生了不利影響。有關(guān)研究甚至談到了科學(xué)中的「可重復(fù)性危機(jī)」，強(qiáng)調(diào)了開(kāi)發(fā)新策略來(lái)有效驗(yàn)證數(shù)據(jù)的重要性。

在化學(xué)反應(yīng)中出現(xiàn)了一種特征-幾乎是技術(shù)性的——語(yǔ)言風(fēng)格，用于交流實(shí)驗(yàn)協(xié)議。盡管有這種共同語(yǔ)言，再現(xiàn)反應(yīng)仍然具有挑戰(zhàn)性，并且通常需要人類(lèi)化學(xué)家的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)解釋平淡的協(xié)議并推斷隱含的信息。如果沒(méi)有有效的方法來(lái)捕獲化學(xué)協(xié)議中的隱性知識(shí)，可靠的通信和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將變得棘手，化學(xué)的進(jìn)步將無(wú)法充分發(fā)揮其潛力。

χDL：一種機(jī)器可讀的通用化學(xué)描述語(yǔ)言

標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)化化學(xué)的挑戰(zhàn)可以通過(guò)捕獲 χDL 中的化學(xué)知識(shí)來(lái)解決，χDL 是一種機(jī)器可讀的通用化學(xué)描述語(yǔ)言，允許用戶以人類(lèi)和機(jī)器人都可以理解的標(biāo)準(zhǔn)化方式存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)方案。χDL 在設(shè)計(jì)上與平臺(tái)無(wú)關(guān)，能夠與任何自動(dòng)化化學(xué)硬件連接。它是在 Chemputer 平臺(tái)上進(jìn)行原型設(shè)計(jì)的，但足夠靈活，可以快速集成到為完全不同的化學(xué)目的而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)上

在此，研究人員通過(guò)在 Opentrons 平臺(tái)、Kinova 多軸 cobotic 機(jī)器人和兩個(gè) Chemputers 上執(zhí)行相同的 χDL 協(xié)議來(lái)展示這一點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)相同的代碼在多個(gè)硬件架構(gòu)上同樣可執(zhí)行。χDL 不受各個(gè)平臺(tái)的硬件限制，用于將不同的機(jī)器組合到一個(gè)工作流程中，并增強(qiáng)化學(xué)家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的整體能力。

研究涉及七個(gè)反應(yīng)步驟和三種最終化合物的三個(gè)案例研究的方案經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和傳播，以便在兩個(gè)國(guó)際實(shí)驗(yàn)室和三個(gè)獨(dú)立機(jī)器人上重復(fù)。

以 χDL 形式共享數(shù)字程序有利于合作研究項(xiàng)目，其中可以結(jié)合不同平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)和勞動(dòng)力來(lái)優(yōu)化合成方案，共同實(shí)現(xiàn)更大的影響。

圖示：χDL 的普適性。（來(lái)源：論文）

Chemputation 的概念體現(xiàn)在 χDL 驅(qū)動(dòng)的各種機(jī)器人上執(zhí)行不同的化學(xué)反應(yīng)，為更快、更富有成效的合作項(xiàng)目打開(kāi)了大門(mén)。通過(guò)這種方法，合成任務(wù)可以輕松地在不同實(shí)驗(yàn)室之間分配，因?yàn)榛瘜W(xué)知識(shí)可以作為現(xiàn)成運(yùn)行的源代碼進(jìn)行交流，不需要更深入地了解基本的化學(xué)原理。

例如，研究小組可以無(wú)縫地研究合作者合成的核心分子的功能化，而無(wú)需投入時(shí)間進(jìn)行手動(dòng)合成或因運(yùn)輸時(shí)間而延遲項(xiàng)目。研究已經(jīng)展示了七種化學(xué)反應(yīng)的工作流程的簡(jiǎn)便性，包括多步合成、聚合合成方法和反應(yīng)性的發(fā)散探索，展示了 χDL 編碼合成的產(chǎn)率和純度如何在不同的迭代、地理位置和硬件設(shè)置中出色地重復(fù)。