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IBM 未來五年五大創新趨勢預測：徹底加速發現過程，實現可持續發展的未來

2020-09-30 | 作者： anntso

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2020 年 9 月 23 日 | 作者：Alessandro Curioni 和 Kathryn Guarini

IBM 的使命是協助客戶改變世界的運作方式。IBM 的「未來五年五大創新趨勢」年度技術預測就是最好的例證。每年，我們都會根據 IBM 研究院的全球實驗室所取得的研究成果和更廣泛的產業趨勢，展示我們認為技術將在未來 5 年內從根本重塑企業和社會的五種方式。

今年「未來五年五大創新趨勢」預測的重點是：加速發現新材料，實現未來可持續發展。為了回應聯合國通過其可持續發展目標發起的全球行動號召，IBM 研究人員正在加速發現新材料，説明解決重大世界性難題。具體來說，我們正在探索如何運用技術重塑材料設計流程，克服一系列挑戰，例如促進人類健康、開發清潔能源以及支持可持續發展、氣候行動和負責任的生產。

我們相信，新材料或現有材料的新用途將有助於解決人類面臨的諸多全球性挑戰：從負擔過重的大氣層中有效地捕獲二氧化碳，並安全地存儲起來，從而減輕氣候變化；尋找更可持續的農作物種植方法，養活全球持續成長的人口，同時減少碳排放量；重新思考電池和能量儲存問題，防患於未然；開發更可持續的電子裝置和更有效的抗病毒藥物。

儘管尚未實現，但絕非異想天開。我們很快就可以開始邁出這一步。

我們需要改進材料設計方式，這個過程一直以來都很困難且複雜 — 主要原因在於，可能的分子組合的化學空間無比巨大。可能的組合比宇宙中的原子數量還要多。此外，材料的最終屬性不僅取決於構成元素，還取決於使用的生產工藝以及最終結構。

發現一種具有特定屬性的新材料通常需要大約 10 年時間，平均耗資逾千萬乃至數億美元。我們希望借助先進技術，將發現時間和成本降低 90%。這些技術包括人工智慧 (AI)；通過傳統經典運算和新興量子運算實現的資料擴增；通過開放式混合雲實現的所謂生成模型（generative models ）和實驗室自動化（laboratory automation ）。

通過融合這些技術，我們將能夠以全新的方式實現人類發現過程的現代化 — 擺脫巧合、運氣和機遇等偶然性因素，獲得有計劃的信心。

首先，人工智慧將整合人類關於特定主題的所有知識，特定主題即為我們要解決的全球性挑戰；其次，超級電腦和量子類比將填補人類的知識缺口。根據人工智慧收集的歷史資料，我們將創建模型，以生成有關應對該挑戰所需的新材料的假設。最後，我們將藉由雲技術，使這些材料的生產和測試過程實現自動化。IBM 在量子運算、人工智慧、高效能運算和混合雲領域取得了許多產業領先的工作成果，所有這些都將加速發現過程。

IBM 設計一種加速材料發現的方法，其中人工智慧是整個材料發現過程鏈的關鍵元件。其中包括 IBM 基於雲的化學實驗室RoboRXN，在這裡研究人員可以通過預測化學反應結果來創造新材料。系統可以 24×7 全天候不間斷地合成材料，而且只需有限的人工作業。科學家只需向系統提供希望使用的分子，軟體中的人工智慧就會列出分步方法和成分清單。

RoboRXN 採用的免費 AI 模型在兩年前推出，已經為學生、教授和科學家完成了近 100 萬次反應預測。自今年年初以來，世界各地的 IBM 科學家紛紛開始利用 RoboRXN 合成用於碳捕集（carbon capture）、光刻膠（photoresists）和抗病毒藥物（antivirus）的材料。很快，將投產固氮材料（materials for nitrogen fixation）。

例如，在紐約約克敦高地（Yorktown Heights）的研究人員能夠運行一種合成反應，再通過雲將結果發送到位於 6,000 英里以外蘇黎世的 RoboRXN 實驗室，試圖生成用於捕集二氧化碳的新材料的目標分子。RoboRXN 分析生成的分子經過一夜將其合成，隨後運送到 IBM 於加州阿爾馬登（Almaden）的研究實驗室進行進一步分析。

目前，研究人員正在合成候選分子，用於測試 RoboRXN 的功能。IBM 的長期目標是從能夠預測新材料的人工智慧驅動系統中獲取候選分子，並完全自主地進行合成，然後執行測試。

試想一下，如果不只有一個 RoboRXN，而是有一大群的 RoboRXN 實驗室都通過雲來接收世界各地的化學家和材料科學家的指令，那會怎樣。這樣不僅可以加速發現過程，還將大規模推動創意的產生。

這並不意味著 IBM 將涉足材料製造行業。我們的研究人員致力於開發可加速發現過程的流程，並説明客戶和合作夥伴將其投入使用。IBM 過去的一項「未來五年五大創新趨勢」預測就提供了如何有效實現這些目標的藍圖。

2019 年，IBM 預測在未來五年內，諸如 VolCat 之類的塑膠回收技術進步可能在全球範圍得到採用，幫助解決塑膠垃圾氾濫這一世界性難題。VolCat 使用良性有機催化劑（benign organic catalyst ），選擇性分解最常見的家用塑膠PET（polyethylene terephthalate )，使其恢復為單體成分（monomer constituents）。經過純化後，可輕鬆將單體重新聚合成新的 PET。

IBM 研究院打算啟動其計畫的下一個階段，推動 VolCat 塑膠回收流程走上商業化模式。我們打算與產業合作夥伴，共同設計、建造和運營試點工廠，證實 VolCat 流程的可擴展性和經濟效益。一旦成功，其研究成果將推廣到世界各地的製造工廠，製造商將可以使用純化後的單體製造塑膠、纖維或薄膜，不再需要利用石油化工產品製造新的塑膠。

IBM 的「未來五年五大創新趨勢」預測展示了採用科學方法尋找新方法和新解決方案來應對世界挑戰的可能性。當今世界對科學的渴求比任何時候更加迫切，借助科學，我們可以從容應對當下的不確定因素，實現未來進步。