DARPA aprovecha la IA para innovar en 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 de sustancias químicas 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 cómo planificar síntesis químicas. A pesar de años de investigación, no hemos podido lograr vías completas construidas por computadoras y luego implementadas con éxito en el laboratorio.

En la actualidad, el software/hardware de las computadoras no son lo suficientemente capaces de manejar una enorme base de conocimientos sobre transformación química, navegar de manera eficiente por vastos "árboles" de posibilidades sintéticas y lógica de orden superior.

DARPA está trabajando actualmente en una herramienta de software basada en técnicas de aprendizaje automático y codificadas por expertos para predecir rutas sintéticas optimizadas para parámetros como tiempo, costo, seguridad y minimización de desechos.

El programa, denominado 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 de un solo dispositivo con muchas moléculas) que generen los compuestos deseados utilizando su propia base de conocimientos y un proceso de prueba y error.

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

Podría permitir una amplia gama de productos de defensa de próxima generación, incluidas baterías más pequeñas y duraderas, pilas de combustible, explosivos más seguros de manejar, propulsores eficaces para motores de cohetes y mejores adhesivos, pinturas y revestimientos.

¿Cómo ayudará esto a los químicos investigadores?

Por lo general, un químico investigador dedica decenas de horas a crear vías sintéticas para un nuevo compuesto y meses a ejecutar y mejorar la síntesis en el laboratorio. Esta nueva herramienta ayudará a los químicos a utilizar su capacidad intelectual en otras áreas valiosas como el descubrimiento molecular.

Los químicos investigadores podrían generar moléculas según sus necesidades en lugar de comprarlas a proveedores y eliminarlas al por mayor. La herramienta podría resultar beneficiosa no sólo en el campo de la química, sino también en muchas otras áreas tecnológicas que implican la investigación y el desarrollo de moléculas pequeñas.

Gráficos de posibilidades sintéticas que surgen del objetivo y se expanden con el número. de iteraciones de búsqueda

Con metodologías no automatizadas, los cambios pequeños e insignificantes pueden tener un gran impacto en el rendimiento y la pureza de los compuestos generados, lo que dificulta la reproducción de síntesis informadas anteriormente. 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 garantiza una reproducibilidad precisa. Dado que las rutas se ejecutan mediante instrucciones de computadora, no hay variabilidad entre laboratorios.

Los dispositivos de síntesis Make-It ofrecen una solución más limpia y segura. No es necesario manipular físicamente productos químicos nocivos como los explosivos. Además, estos dispositivos requieren bajos volúmenes de disolvente, lo que produce 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 el descubrimiento de fármacos y la 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 específicos sobre la marcha. El MIT también está aplicando su experiencia en modelos de aprendizaje automático para ayudar en el descubrimiento de fármacos.

Sintetizador químico automatizado | Crédito:MIT

La imagen de arriba muestra el sintetizador químico automatizado del MIT, en el que los químicos fluyen hacia los reactores alineados verticalmente. Un brazo robótico puede insertar, reordenar o retirar estos reactores químicos para realizar síntesis diseñadas por ordenador.

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

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Lo interesante de Make-IT de DARPA es que tiene como objetivo generar cualquier molécula, abordando no sólo los productos farmacéuticos sino todos los campos de defensa. En los próximos años, los investigadores utilizarán instrumentación analítica avanzada para integrar la clasificación en tiempo real de un proceso de síntesis y desarrollar compuestos más complejos.