IBM的“面向未來五年五大創(chuàng)新趨勢”年度技術(shù)預(yù)測就是最好的例證

IBM 的使命是幫助客戶改變世界的運(yùn)作方式。IBM 的“面向未來五年五大創(chuàng)新趨勢”年度技術(shù)預(yù)測就是最好的例證。每年，我們都會根據(jù) IBM 研究院的全球?qū)嶒?yàn)室所取得的研究成果和更廣泛的行業(yè)趨勢，展示我們認(rèn)為技術(shù)將在未來 5年內(nèi)從根本上重塑企業(yè)和社會的五種方式。

本年度“未來五年五大創(chuàng)新趨勢”預(yù)測的重點(diǎn)是：加速發(fā)現(xiàn)新材料，實(shí)現(xiàn)未來可持續(xù)發(fā)展。為了響應(yīng)聯(lián)合國通過其可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)發(fā)起的全球行動號召，IBM 研究人員正在加速發(fā)現(xiàn)新材料，幫助解決重大世界性難題。具體來說，我們正在探索如何運(yùn)用技術(shù)重塑材料設(shè)計(jì)流程，克服一系列挑戰(zhàn)，例如促進(jìn)人類健康、開發(fā)清潔能源以及支持可持續(xù)發(fā)展、氣候行動和負(fù)責(zé)任的生產(chǎn)。

我們相信，新材料或現(xiàn)有材料的新用途將有助于解決人類面臨的諸多全球性挑戰(zhàn)：從負(fù)擔(dān)過重的大氣層中有效地捕獲二氧化碳，并安全地存儲起來，從而減輕氣候變化；尋找更可持續(xù)的農(nóng)作物種植方法，養(yǎng)活全球持續(xù)增長的人口，同時減少碳排放量；重新思考電池和能量存儲問題，防患于未然；開發(fā)更可持續(xù)的電子設(shè)備和更有效的抗病毒藥物。

盡管尚未實(shí)現(xiàn)，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(jìn)材料設(shè)計(jì)方式，這個過程一直以來都很困難且復(fù)雜 — 主要原因在于，可能的分子組合的化學(xué)空間無比巨大?？赡艿慕M合比宇宙中的原子數(shù)量還要多。此外，材料的最終屬性不僅取決于構(gòu)成元素，還取決于使用的生產(chǎn)工藝，以及最終結(jié)構(gòu)。

發(fā)現(xiàn)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(shù)億美元。我們希望借助先進(jìn)技術(shù)，將發(fā)現(xiàn)時間和成本降低 90%。這些技術(shù)包括人工智能 (AI)；通過傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算和新興量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)增強(qiáng)；通過開放式混合云實(shí)現(xiàn)的所謂生成模型 (generative models) 和實(shí)驗(yàn)室自動化 (laboratory automation)。

通過融合這些技術(shù)，我們將能夠以全新的方式實(shí)現(xiàn)人類發(fā)現(xiàn)過程的現(xiàn)代化 — 擺脫巧合、運(yùn)氣和機(jī)遇等偶然性因素，獲得有計(jì)劃的信心。

首先，人工智能將整合人類關(guān)于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(zhàn)。其次，超級計(jì)算機(jī)和量子模擬將填補(bǔ)人類的知識缺口。根據(jù)人工智能收集的歷史數(shù)據(jù)，我們將創(chuàng)建模型，以生成有關(guān)應(yīng)對該挑戰(zhàn)所需的新材料的假設(shè)。最后，我們將借助云技術(shù)，使這些材料的生產(chǎn)和測試過程實(shí)現(xiàn)自動化。IBM 在量子計(jì)算、人工智能、高性能計(jì)算和混合云領(lǐng)域取得了許多行業(yè)領(lǐng)先的工作成果，所有這些都將加速發(fā)現(xiàn)過程。

IBM 設(shè)計(jì)了一種加速材料發(fā)現(xiàn)的方法，其中人工智能是整個材料發(fā)現(xiàn)過程鏈的關(guān)鍵組件。其中包括 IBM 基于云的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室 RoboRXN，在這里研究人員可以通過預(yù)測化學(xué)反應(yīng)結(jié)果來創(chuàng)造新材料。系統(tǒng)可以 24x7 全天候不間斷地合成材料，而且只需有限的人工操作?？茖W(xué)家只需向系統(tǒng)提供希望使用的分子，軟件中的人工智能就會列出分步方法和成分清單。

RoboRXN 采用的免費(fèi) AI 模型在兩年前推出，已經(jīng)為學(xué)生、教授和科學(xué)家完成了近 100萬次反應(yīng)預(yù)測。自今年年初以來，世界各地的 IBM 科學(xué)家紛紛開始利用 RoboRXN 合成用于碳捕獲 (carbon capture)、光阻劑 (photoresists) 和抗病毒藥物 (antivirus) 的材料。很快，將投產(chǎn)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(yùn)行一種合成反應(yīng)，再通過云將結(jié)果發(fā)送到位于 6,000英里以外蘇黎世的 RoboRXN 實(shí)驗(yàn)室，試圖生成用于捕獲二氧化碳的新材料的目標(biāo)分子。RoboRXN 分析生成的分子，經(jīng)過一夜將其合成，隨后運(yùn)送到 IBM 位于加州阿爾馬登 (Almaden) 的研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)一步分析。

目前，研究人員正在合成候選分子，用于測試 RoboRXN 的功能。IBM 的長期目標(biāo)是從能夠預(yù)測新材料的人工智能驅(qū)動系統(tǒng)中獲取候選分子，并完全自主地進(jìn)行合成，然后執(zhí)行測試。

試想一下，如果不只有一個 RoboRXN，而是有一大群的 RoboRXN 實(shí)驗(yàn)室都通過云來接收世界各地的化學(xué)家和材料科學(xué)家的指令，那會怎樣。這樣不僅可以加速發(fā)現(xiàn)過程，還將大規(guī)模推動創(chuàng)意的產(chǎn)生。

這并不意味著 IBM 將涉足材料制造行業(yè)。我們的研究人員致力于開發(fā)可加速發(fā)現(xiàn)過程的流程，并幫助客戶和合作伙伴將其投入使用。IBM 過去的一項(xiàng)“未來五年五大創(chuàng)新趨勢”預(yù)測就提供了如何實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的有效藍(lán)圖。

2019年，IBM 預(yù)測在未來五年內(nèi)，諸如 VolCat 之類的塑料回收技術(shù)進(jìn)步可能在全球范圍得到采用，幫助解決塑料垃圾泛濫這一世界性難題。VolCat 使用良性有機(jī)催化劑 (benign organic catalyst)，選擇性分解最常見的家用塑料PET (polyethylene terephthalate )，使其恢復(fù)為單體成分 (monomer constituents)。經(jīng)過提純后，可輕松將單體重新聚合成新的 PET。

IBM 研究院打算啟動其計(jì)劃的下一個階段，推動 VolCat 塑料回收流程走上商業(yè)化模式。我們打算與行業(yè)合作伙伴，共同設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營試點(diǎn)工廠，證實(shí) VolCat 流程的可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)效益。一旦成功，其研究成果將推廣到世界各地的制造工廠，制造商將可以使用提純后的單體制造塑料、纖維或薄膜，不再需要利用石油化工產(chǎn)品制造新的塑料。

IBM 的“未來五年五大創(chuàng)新趨勢”預(yù)測展示了采用科學(xué)方法尋找新方法和新解決方案來應(yīng)對世界挑戰(zhàn)的可能性。當(dāng)今世界對科學(xué)的渴求比任何時候更加迫切，借助科學(xué)，我們可以從容應(yīng)對當(dāng)下的不確定因素，實(shí)現(xiàn)未來進(jìn)步。

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