Podręczniki odzyskiwania błędów dla zautomatyzowanej syntezy w cyklach zamkniętej pętli

Potrzeba odzyskiwania błędów

Nawet przy zaawansowanym planowaniu i automatyzacji, synteza chemiczna pozostaje nauką eksperymentalną - nieoczekiwane rezultaty są nieuniknione. W cyklu zamkniętym (projektowanie → synteza → analiza → przeprojektowanie) błędy mogą wystąpić na każdym etapie. Reakcja może się nie powieść, pompa może się zatkać, czujnik może generować zaszumione dane lub półprodukt może się rozpaść. Bez ludzkiej intuicji systemy autonomiczne muszą polegać na predefiniowanych strategiach - "podręcznikach odzyskiwania błędów" - w celu wykrywania i reagowania. Te podręczniki działają jak ramy awaryjne, które utrzymują zautomatyzowane platformy w stanie adaptacji, zapewniając, że albo odzyskują niezależność, albo eskalują problemy za pomocą jasnej diagnostyki.

Rodzaje błędów w zautomatyzowanej syntezie

W zautomatyzowanych procesach chemicznych często występuje kilka kategorii błędów:

• Błąd syntetyczny: Zaplanowany etap nie daje pożądanego produktu z powodu konkurencyjnych reakcji ubocznych, niewystarczającej konwersji lub niestabilnych półproduktów. Gdy dzieje się to na wczesnym etapie trasy, kolejne etapy stają się nieistotne.
• Błędy analityczne lub wykrywania: Instrumenty takie jak LC/MS mogą błędnie identyfikować produkty lub pomijać gatunki o niskiej liczebności, co prowadzi do wyników fałszywie ujemnych lub dodatnich.
• Problemy z obsługą materiałów: Problemy takie jak zatkane kanały przepływu, wadliwe zawory, puste wkłady z odczynnikami lub nieoczekiwane wytrącenia są częste w konfiguracjach wysokoprzepustowych i przepływowych.
• Odchylenia warunków reakcji: Przekroczenie temperatury, odparowanie rozpuszczalnika lub wahania ciśnienia mogą wykoleić eksperymenty.
  

Każdy typ awarii wymaga dostosowanej reakcji. Na przykład, jeśli brakuje kluczowego produktu, playbook może nakazać systemowi wstrzymanie, wywołanie planisty retrosyntezy dla alternatywnej ścieżki i zresetowanie - podobnie jak GPS ponownie oblicza trasy, gdy drogi są zablokowane. W ten sposób Oprogramowanie do retrosyntezy staje się sprzymierzeńcem w odzyskiwaniu danych, zapewniając alternatywne rozwiązania syntetyczne, gdy początkowe próby zawiodą.

Adaptacyjne strategie reagowania

Platformy autonomiczne w coraz większym stopniu obejmują monitorowanie adaptacyjne. Analizy in-line, takie jak UV, chromatografia lub spektroskopia, mogą sygnalizować, gdy reakcje odbiegają od oczekiwanego zachowania. Zamiast ślepo posuwać się naprzód, systemy mogą uruchamiać inteligentne pętle ponownych prób - dostosowując temperaturę, wydłużając czas reakcji lub dodając katalizator przed kontynuowaniem. Niektóre platformy wykorzystują miniaturowe procedury projektowania eksperymentów do badania pobliskich warunków, aż do osiągnięcia realnego wyniku.

Jeśli ponowne próby zawiodą, potrzebne są bardziej drastyczne środki. Playbooki mogą instruować planistę AI, aby zaproponował alternatywną transformację lub całkowicie ominął nieudany krok. Jak zauważono w ostatnich perspektywach, zdolność do korygowania syntetycznych tras w czasie rzeczywistym odróżnia w pełni autonomiczne platformy od statycznych zautomatyzowanych przepływów pracy.

Odzyskiwanie błędów sprzętowych

W przypadku awarii związanych ze sprzętem dominują rozwiązania inżynieryjne. W systemach przepływowych zatory mogą być wykrywane poprzez skoki ciśnienia lub zmniejszone natężenie przepływu. Typowe kroki odzyskiwania obejmują zautomatyzowane procedury płukania, przełączanie na kanały zapasowe lub przekierowywanie mieszanin do modułów gaszenia. Zrobotyzowane systemy oparte na wsadach często mają łatwiejszy reset: jeśli fiolka ulegnie awarii, robot może ją wyrzucić i powtórzyć krok w nowym naczyniu. Jednorazowe kartridże i płytki mikrostudzienek zwiększają odporność poprzez lokalizowanie awarii.

Niektóre platformy komercyjne wykorzystują szczelne fiolki lub wkłady zaprojektowane w celu izolowania awarii. Na przykład, systemy wspomagane mikrofalami mogą poddawać kwarantannie pęknięte lub wadliwe fiolki, podczas gdy pozostała część eksperymentu jest kontynuowana bez zakłóceń. Taka separacja zapobiega wykolejeniu całych kampanii eksperymentalnych przez lokalne problemy.

Opracowanie podręcznika odzyskiwania danych po wystąpieniu błędu

Playbooki odzyskiwania danych po błędach mają zazwyczaj postać drzew decyzyjnych zakodowanych w oprogramowaniu do automatyzacji. Uproszczony wpis może stanowić: JEŚLI nie wykryto produktu po kroku 2, WTEDY zwiększ czas reakcji o 50% i ponów próbę. JEŚLI nadal nie wykryto produktu, WTEDY wywołaj retrosyntezę AI dla alternatywnego kroku 2. Inny: JEŚLI ciśnienie reaktora przekracza próg, zatrzymaj pompę i uruchom procedurę płukania. JEŚLI płukanie nie powiedzie się, PRZERYWA i ostrzega operatora.

Z biegiem czasu te zestawy reguł mogą się rozszerzać dzięki doświadczeniu. W miarę jak systemy wykonują więcej cykli, playbooki mogą być rozszerzane o nowe sytuacje awaryjne - a nawet uczone automatycznie za pomocą uczenia maszynowego. Długoterminowym celem jest samodoskonaląca się platforma, która udoskonala swoje strategie odzyskiwania, ucząc się na błędach tak, jak robią to chemicy. Pomimo rosnącego trendu w kierunku większej automatyzacji, należy zauważyć, że obecnie nie ma bezpośredniej integracji technicznej między SYNTHIA a jakąkolwiek zautomatyzowaną platformą syntezy; ludzka wiedza pozostaje niezbędna, ponieważ użytkownicy muszą ponownie ocenić plany retrosyntezy i przetłumaczyć je z powrotem na komputer.

Ludzki nadzór i przekazywanie

Podczas gdy automatyzacja postępuje, ludzki nadzór pozostaje ważną siatką bezpieczeństwa. W praktyce powtarzające się awarie lub nieoczekiwane anomalie często powodują eskalację do operatorów. Playbooki mogą zawierać progi określające, kiedy należy się zatrzymać i powiadomić ludzi o konieczności interwencji. Patrząc w przyszłość, systemy mogą jednak ewoluować w kierunku bardziej niezależnego rozwiązywania problemów - czerpiąc z baz danych literatury lub wcześniejszych danych eksperymentalnych w celu zaproponowania rozwiązań, podobnie jak ludzki badacz konsultujący się z referencjami.

Uwagi końcowe na temat odzyskiwania danych po błędach

Podręczniki odzyskiwania po błędach są niezbędne do zapewnienia odporności automatyzacji w zamkniętej pętli. Przewidując tryby awarii i osadzając strategie adaptacyjne, platformy zautomatyzowanej syntezy mogą utrzymywać płynne działanie eksperymentów, nawet gdy warunki odbiegają od normy. W miarę jak te podręczniki stają się coraz bogatsze i bardziej adaptacyjne, laboratoria z zamkniętą pętlą zbliżają się do pełnej autonomii, w której maszyny nie tylko wykonują chemię, ale także rozwiązują problemy, odzyskują i poprawiają się w czasie.

Odniesienia

1. Gao W, Raghavan P, Coley CW. Autonomiczne platformy do syntezy organicznej opartej na danych. Nat Commun. 2022 Feb 28;13(1):1075. doi: 10.1038/s41467-022-28736-4. PMID: 35228543; PMCID: PMC8885738.