Playbooks zur Fehlerbehebung für automatisierte Synthese in geschlossenen Kreisläufen

Der Bedarf an Fehlerbehebung

Selbst mit fortschrittlicher Planung und Automatisierung bleibt die chemische Synthese eine experimentelle Wissenschaft - unerwartete Ergebnisse sind unvermeidlich. In einem geschlossenen Kreislauf (Entwurf → Synthese → Analyse → Neuentwurf) können in jeder Phase Fehler auftreten. Eine Reaktion kann fehlschlagen, eine Pumpe könnte verstopfen, ein Sensor könnte verrauschte Daten liefern, oder ein Zwischenprodukt könnte sich zersetzen. Ohne menschliche Intuition müssen sich autonome Systeme auf vordefinierte Strategien - "Playbooks zur Fehlerbehebung" - verlassen, um Fehler zu erkennen und darauf zu reagieren. Diese Playbooks fungieren als Notfallpläne, die automatisierte Plattformen anpassungsfähig halten und sicherstellen, dass sie sich entweder selbständig erholen oder Probleme mit klaren Diagnosen eskalieren.

Arten von Fehlern in der automatisierten Synthese

In der automatisierten Chemie sind mehrere Fehlerkategorien üblich:

• Synthetisches Versagen: Ein geplanter Schritt führt aufgrund von konkurrierenden Nebenreaktionen, unzureichender Umwandlung oder instabilen Zwischenprodukten nicht zum gewünschten Produkt. Wenn dies zu einem frühen Zeitpunkt in einer Route geschieht, werden nachgeschaltete Schritte irrelevant.
• Analytische oder Nachweisfehler: Instrumente wie LC/MS können Produkte falsch identifizieren oder Spezies mit geringer Häufigkeit übersehen, was zu falsch negativen oder positiven Ergebnissen führt.
• Probleme bei der Materialhandhabung: Probleme wie verstopfte Fließkanäle, defekte Ventile, leere Reagenzienkartuschen oder unerwartete Ausfällungen sind bei Hochdurchsatz- und Fließaufbauten häufig.
• Abweichungen bei den Reaktionsbedingungen: Temperaturüberschreitungen, Lösungsmittelverdampfung oder Druckschwankungen können Experimente entgleisen lassen.
  

Jede Fehlerart erfordert eine maßgeschneiderte Reaktion. Wenn beispielsweise ein wichtiges Produkt fehlt, kann das Playbook das System anweisen, eine Pause einzulegen, den Retrosyntheseplaner für einen alternativen Weg aufzurufen und einen Neustart durchzuführen - ähnlich wie GPS Routen neu berechnet, wenn Straßen blockiert sind. Auf diese Weise wird die Retrosynthese-Software zu einem Verbündeten bei der Wiederherstellung, indem sie alternative synthetische Lösungen bereitstellt, wenn die ersten Versuche fehlschlagen.

Adaptive Reaktionsstrategien

Autonome Plattformen verfügen zunehmend über eine adaptive Überwachung. Inline-Analysen wie UV, Chromatographie oder Spektroskopie können signalisieren, wenn Reaktionen von dem erwarteten Verhalten abweichen. Anstatt blind voranzugehen, können die Systeme intelligente Wiederholungsschleifen auslösen - sie passen die Temperatur an, verlängern die Reaktionszeit oder fügen Katalysatoren hinzu, bevor sie fortfahren. Einige Plattformen verwenden Miniatur-Versuchsplanungsroutinen, um Bedingungen in der Nähe zu erkunden, bis ein brauchbares Ergebnis erzielt wird.

Wenn Wiederholungsversuche fehlschlagen, sind drastischere Maßnahmen erforderlich. Playbooks können den KI-Planer anweisen, eine alternative Transformation vorzuschlagen oder den fehlgeschlagenen Schritt ganz zu umgehen. Wie bereits in den letzten Perspektiven erwähnt, unterscheidet die Fähigkeit, synthetische Routen in Echtzeit zu überarbeiten, vollständig autonome Plattformen von statischen, automatisierten Workflows.

Hardware-Fehlerbehebung

Bei hardwarebedingten Fehlern dominieren technische Lösungen das Regelwerk. In Durchflusssystemen können Verstopfungen durch Druckspitzen oder verringerte Durchflussraten erkannt werden. Typische Wiederherstellungsschritte sind automatische Spülroutinen, das Umschalten auf Reservekanäle oder das Umleiten von Mischungen in Quenchmodule. Batch-basierte Robotersysteme haben oft eine einfachere Rückstellung: Wenn ein Fläschchen ausfällt, kann der Roboter es entsorgen und den Schritt in einem neuen Gefäß wiederholen. Einwegkartuschen und Mikrotiterplatten erhöhen die Robustheit, indem sie Fehler lokalisieren.

Einige kommerzielle Plattformen verwenden versiegelte Fläschchen oder Kartuschen, um Fehler zu isolieren. So können mikrowellenunterstützte Systeme z. B. zerbrochene oder fehlerhafte Gefäße unter Quarantäne stellen, während der Rest des Experiments ohne Unterbrechung weiterläuft. Eine solche Abschottung verhindert, dass örtlich begrenzte Probleme ganze Versuchskampagnen zum Scheitern bringen.

Entwicklung eines Fehlerbehebungs-Playbooks

Playbooks zur Fehlerbehebung haben in der Regel die Form von Entscheidungsbäumen, die in Automatisierungssoftware kodiert sind. Ein vereinfachter Eintrag könnte lauten: WENN nach Schritt 2 kein Produkt gefunden wird, DANN wird die Reaktionszeit um 50 % erhöht und der Versuch wiederholt. WENN immer noch kein Produkt gefunden wird, DANN wird die Retrosynthese-KI für einen alternativen Schritt 2 aufgerufen. Oder: WENN der Reaktordruck den Schwellenwert überschreitet, DANN wird die Pumpe angehalten und die Spülroutine ausgelöst. WENN die Spülung fehlschlägt, DANN Abbruch und Alarmierung des Bedieners.

Mit der Zeit können diese Regelsätze durch Erfahrung erweitert werden. Wenn die Systeme mehr Zyklen durchlaufen, können die Playbooks um neue Eventualitäten erweitert werden - oder sogar automatisch durch maschinelles Lernen erlernt werden. Das langfristige Ziel ist eine sich selbst verbessernde Plattform, die ihre Wiederherstellungsstrategien verfeinert und aus Fehlern lernt, so wie es menschliche Chemiker tun. Trotz des zunehmenden Trends zu einer stärkeren Automatisierung ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass es derzeit keine direkte technische Integration zwischen SYNTHIA und einer automatisierten Syntheseplattform gibt; menschliches Fachwissen ist nach wie vor unerlässlich, da die Benutzer die Retrosynthesepläne neu bewerten und an den Computer zurückübersetzen müssen.

Menschliche Aufsicht und Übergabe

Während die Automatisierung voranschreitet, bleibt die menschliche Aufsicht ein wichtiges Sicherheitsnetz. In der Praxis führen wiederholte Ausfälle oder unerwartete Anomalien häufig zu einer Eskalation zu den Bedienern. Playbooks können Schwellenwerte für das Anhalten und Eingreifen des Menschen enthalten. In Zukunft könnten sich die Systeme jedoch so entwickeln, dass sie eigenständig Fehler beheben und auf Literaturdatenbanken oder frühere Versuchsdaten zurückgreifen, um Lösungen vorzuschlagen, ähnlich wie ein menschlicher Forscher, der Referenzen zu Rate zieht.

Abschließende Überlegungen zur Fehlerbehebung

Playbooks für die Fehlerbehebung sind von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, die Automatisierung in geschlossenen Kreisläufen widerstandsfähig zu machen. Durch die Vorwegnahme von Fehlermodi und die Einbettung adaptiver Strategien können automatisierte Syntheseplattformen den reibungslosen Ablauf von Experimenten auch bei abweichenden Bedingungen gewährleisten. Je umfangreicher und anpassungsfähiger diese Playbooks werden, desto mehr nähern sich Closed-Loop-Labors der vollständigen Autonomie, in denen Maschinen nicht nur chemische Prozesse ausführen, sondern auch Fehler beheben, sich erholen und im Laufe der Zeit verbessern.

Referenzen

1. Gao W, Raghavan P, Coley CW. Autonome Plattformen für die datengesteuerte organische Synthese. Nat Commun. 2022 Feb 28;13(1):1075. doi: 10.1038/s41467-022-28736-4. PMID: 35228543; PMCID: PMC8885738.