DARPA Aprovecha la IA para Innovar Baterías y Explosivos

• DARPA ha desarrollado herramientas basadas en aprendizaje automático para producir nuevas moléculas.
• El programa, llamado Make-It, puede acelerar el proceso de descubrimiento químico para varios productos y aplicaciones militares.

Uno de los desafíos más difíciles de la química orgánica de la era moderna es enseñar a las computadoras a planificar síntesis químicas. A pesar de años de investigación, no hemos sido capaces de lograr vías completas construidas por computadoras y luego implementadas exitosamente en el laboratorio.

Actualmente, el software/hardware de computadora no son lo suficientemente capaces para manejar una enorme base de conocimiento de transformación química, navegar eficientemente vastos "árboles" de posibilidades sintéticas y lógica de orden superior.

DARPA está trabajando actualmente en una herramienta de software basada en técnicas de expertos codificados y aprendizaje automático para predecir vías sintéticas optimizadas para parámetros como tiempo, costo, seguridad y minimización de residuos.

El programa, llamado Make-It, tiene como objetivo liberar a los investigadores para que puedan centrarse en la innovación química, en lugar de probar numerosas rutas de síntesis de compuestos. El equipo está intentando construir equipos automatizados (basados en el concepto un dispositivo muchas moléculas) que generen compuestos deseados usando su propia base de conocimiento y proceso de prueba y error.

Puede acelerar el proceso de descubrimiento químico para varios productos y aplicaciones militares. La buena noticia es que recientemente han demostrado un progreso notable hacia la construcción de este equipo automatizado.

Podría permitir una amplia gama de productos de defensa de próxima generación, incluyendo baterías más pequeñas y duraderas, celdas de combustible, explosivos más seguros de manejar, propulsores efectivos para motores de cohetes, mejores adhesivos, pinturas y recubrimientos.

¿Cómo Va a Ayudar a los Químicos Investigadores?

Generalmente, un químico investigador pasa docenas de horas creando vías sintéticas a un nuevo compuesto, y meses ejecutando y mejorando la síntesis en el laboratorio. Esta nueva herramienta ayudará a los químicos a usar su poder cerebral en otras áreas valiosas como el descubrimiento molecular.

Los químicos investigadores podrían generar moléculas según sus requerimientos en lugar de comprarlas a proveedores y desecharlas en masa. La herramienta podría ser beneficiosa no solo en el campo de la química, sino también en muchas otras áreas tecnológicas que involucran investigación y desarrollo de moléculas pequeñas.

Gráficos de posibilidades sintéticas emergiendo del objetivo y expandiéndose con el número de iteraciones de búsqueda

Con metodologías no automatizadas, los cambios pequeños y despreciables pueden dejar un gran impacto en el rendimiento y pureza de los compuestos generados, lo que dificulta reproducir síntesis reportadas previamente. La síntesis química automatizada, por otro lado, genera procedimientos reproducibles que aceleran y democratizan la producción.

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

Según los desarrolladores, Make-It asegura reproducibilidad precisa. Dado que las vías se ejecutan por instrucciones de computadora, no resulta en variabilidad laboratorio a laboratorio.

Los dispositivos de síntesis Make-It ofrecen una solución más limpia, segura y protegida. No se necesita manipular físicamente químicos dañinos como explosivos. Además, estos dispositivos requieren bajos volúmenes de solvente, produciendo menores cantidades de residuos.

Otras Herramientas Similares

Muchos otros institutos y organizaciones están explorando diferentes formas de desarrollar herramientas que puedan diseñar automáticamente numerosas opciones de vías químicas. La herramienta de optimización de rutas moleculares de Grzybowski Scientific Inventions (GSI) permite a los científicos filtrar millones de puntos de datos y encontrar las mejores rutas para descubrimiento de fármacos y química medicinal. La herramienta está disponible comercialmente.

Investigadores de la Universidad de Glasgow están trabajando actualmente en herramientas económicas que pueden imprimir en 3D reactores portátiles para fabricar compuestos particulares sobre la marcha. MIT también está aplicando experiencia en modelos de aprendizaje automático para ayudar al descubrimiento de fármacos.

Sintetizador químico automatizado | Crédito: MIT

La imagen anterior muestra el sintetizador químico automatizado de MIT, en el que los químicos fluyen hacia reactores alineados verticalmente. Un brazo robótico puede insertar, reordenar o eliminar estos reactores químicos para llevar a cabo síntesis diseñadas por computadora.

La Universidad de Purdue ha ideado un proceso de cribado de alto rendimiento que usa software de procesamiento de datos, robótica, detectores sensibles y dispositivos de manejo de líquidos para realizar rápidamente millones de pruebas genéticas y farmacológicas.

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Lo emocionante de Make-It de DARPA es que apunta a generar cualquier molécula, abordando no solo fármacos sino todos los campos de defensa. En los próximos años, los investigadores usarán instrumentación analítica avanzada para integrar clasificación en tiempo real de un proceso de síntesis y desarrollar compuestos más complejos.