DARPA aproveita IA para inovar baterias e explosivos

• A DARPA desenvolveu ferramentas baseadas em aprendizado de máquina para produzir novas moléculas.
• O programa, denominado Make-It, pode acelerar o processo de descoberta química para diversos produtos e aplicações militares.

Um dos desafios mais difíceis da química orgânica da era moderna é ensinar aos computadores como planejar sínteses químicas. Apesar de anos de pesquisa, não conseguimos alcançar caminhos completos construídos por computadores e depois implementados com sucesso em laboratório.

Actualmente, o software/hardware de computador não é capaz o suficiente para lidar com uma enorme base de conhecimento de transformação química, navegar eficientemente por vastas “árvores” de possibilidades sintéticas e lógica de ordem superior.

A DARPA está atualmente trabalhando em uma ferramenta de software baseada em técnicas codificadas por especialistas e de aprendizado de máquina para prever caminhos sintéticos otimizados para parâmetros como tempo, custo, segurança e minimização de resíduos.

O programa, denominado Make-It, visa libertar pesquisadores para que possam se concentrar na inovação química, em vez de testar inúmeras rotas de síntese de compostos. A equipe está tentando construir equipamentos automatizados (baseados no conceito de um dispositivo com muitas moléculas) que gerem os compostos desejados usando sua própria base de conhecimento e processo de tentativa e erro.

Pode acelerar o processo de descoberta química para diversos produtos e aplicações militares. A boa notícia é que recentemente demonstraram um progresso notável na construção deste equipamento automatizado.

Poderia permitir uma vasta gama de produtos de defesa da próxima geração, incluindo baterias mais pequenas e duradouras, células de combustível, explosivos mais seguros de manusear, propulsores eficazes para motores de foguetes, melhores adesivos, tintas e revestimentos.

Como isso ajudará os químicos pesquisadores?

Normalmente, um químico pesquisador gasta dezenas de horas criando caminhos sintéticos para um novo composto e meses executando e aprimorando a síntese em laboratório. Esta nova ferramenta ajudará os químicos a usar o poder do seu cérebro em outras áreas valiosas, como a descoberta molecular.

Os químicos pesquisadores seriam capazes de gerar moléculas de acordo com suas necessidades, em vez de comprá-las de fornecedores e descartá-las a granel. A ferramenta pode ser benéfica não apenas no campo da química, mas também em muitas outras áreas tecnológicas que envolvem pesquisa e desenvolvimento de pequenas moléculas.

Gráficos de possibilidades sintéticas emergindo do alvo e expandindo com o número. de iterações de pesquisa

Com metodologias não automatizadas, as alterações pequenas e insignificantes podem deixar um enorme impacto no rendimento e na pureza dos compostos gerados, o que dificulta a reprodução da síntese relatada anteriormente. Já a síntese química automatizada gera procedimentos reprodutíveis que aceleram e também democratizam a produção.

Referência:ScienceDirect | doi:10.1016/j.chempr.2018.02.002 | DARPA

Segundo os desenvolvedores, o Make-It garante uma reprodutibilidade precisa. Como os caminhos são executados por instruções de computador, isso não resulta em variabilidade de laboratório para laboratório.

Os dispositivos de síntese Make-It oferecem uma solução mais limpa, segura e protegida. Não é necessário manusear fisicamente produtos químicos nocivos, como explosivos. Além disso, estes dispositivos requerem baixos volumes de solventes, produzindo menores quantidades de resíduos.

Outras ferramentas semelhantes

Muitos outros institutos e organizações estão explorando diferentes maneiras de desenvolver ferramentas que possam projetar automaticamente inúmeras opções de vias químicas. A ferramenta de otimização de caminhos moleculares da Grzybowski Scientific Inventions (GSI) permite aos cientistas filtrar milhões de pontos de dados e encontrar as melhores rotas para descoberta de medicamentos e química medicinal. A ferramenta está disponível comercialmente.

Pesquisadores da Universidade de Glasgow estão atualmente trabalhando em ferramentas baratas que podem imprimir reatores portáteis em 3D para fabricar compostos específicos em trânsito. O MIT também está aplicando conhecimentos especializados em modelos de aprendizado de máquina para auxiliar na descoberta de medicamentos.

Sintetizador químico automatizado | Crédito:MIT

A imagem acima mostra o sintetizador químico automatizado do MIT, no qual os produtos químicos fluem para os reatores alinhados verticalmente. Um braço robótico pode inserir, reordenar ou remover esses reatores químicos para realizar sínteses projetadas por computador.

A Purdue University criou um processo de triagem de alto rendimento que utiliza software de processamento de dados, robótica, detectores sensíveis e dispositivos de manuseio de líquidos para conduzir rapidamente milhões de testes genéticos e farmacológicos.

Leia:TopoMS pode analisar com precisão ligações químicas em tempo real

O que é interessante no Make-IT da DARPA é que ele visa gerar qualquer molécula, abordando não apenas produtos farmacêuticos, mas todos os campos de defesa. Nos próximos anos, os pesquisadores utilizarão instrumentação analítica avançada para integrar a classificação em tempo real de um processo de síntese e desenvolver compostos mais complexos.