RoboChem blijft maar doorgaan met zoeken naar de efficiëntste chemische reactie

‘Soms doet RoboChem het licht even uit. Een mens zou dat nooit doen”, zegt Timothy Noël, hoogleraar flowchemie aan de Universiteit van Amsterdam, terwijl hij naar de lichtmodule van zijn robot wijst. „Zonder licht reageert er als het goed is helemaal niks, maar de robot checkt af en toe of dat wel echt zo is. Hij is veel minder bevooroordeeld dan een menselijke chemicus.”

Noël en zijn onderzoeksgroep werkten drie jaar aan RoboChem, een robot die autonoom chemische reacties kan uitvoeren en – vooral bijzonder – optimaliseren. Vrijdag publiceerden ze erover in wetenschappelijk tijdschrift Science. Noël: „Zijn resultaten zijn beter en hij werkt ook nog eens veel sneller dan een mens.”

De robot heeft geen armen. RoboChem is een verzameling apparaten die naast elkaar op een labtafel staan. Hij werkt van links naar rechts, de apparaten zijn onderling verbonden met slangetjes. Helemaal links staat een computer waarmee een – menselijke – chemicus de robot vertelt welk molecuul hij moet gaan maken, welke stoffen hij daarvoor mag gebruiken en hoeveel. In het midden staat een apparaat waarmee de robot de verschillende stoffen kan opslurpen.

„De chemicus heeft de stoffen voor hem klaargezet”, zegt promovendus Aidan Slattery, eerste auteur van het onderzoek. „De chemicus is dus nog steeds nodig om te bedenken wat er moet gebeuren, maar dankzij de robot wordt het werk veel efficiënter. RoboChem neemt het saaie, repetitieve deel van het werk over.”

Eenmaal samengesteld stroomt het geheel door naar de lichtmodule. Bij fotokatalyse drijft licht dat op een katalysator schijnt de chemische reactie aan. De reactie gebeurt in een transparant slangetje van ongeveer twee millimeter dik dat rond een lichtbron is gewikkeld. Zo kan het licht alle vloeistof gelijkmatig beschijnen en vindt de reactie gelijkmatig plaats. In een erlenmeyer of reageerbuis is dat lastig voor elkaar te krijgen.

Heel precies uitvogelen

Helemaal rechts op de tafel staat een rond apparaat. Het is een spectrometer die het resultaat van de chemische reactie analyseert en gegevens erover terugstuurt naar de computer. En dan begint RoboChem van voren af aan. Iets meer van dit, iets minder van dat. Kijken of dat een beter resultaat geeft. De robot leert dankzij AI van zijn eigen resultaten.

Het vernuft zit in het optimaliseren van de reactie – heel precies uitvogelen welke hoeveelheden van de ‘ingrediënten’ nodig zijn om de reactie zo netjes mogelijk uit te voeren. Chemici drukken dat uit in yield, rendement. „De yield zit altijd tussen 0 en 100 procent”, zegt Noël. „Bij 100 procent blijft er niks over na de reactie, is er helemaal geen afval. Dat willen we zo dicht mogelijk benaderen.” Het is een kwestie van proberen, een promovendus is zo een half jaar bezig met het optimaliseren van een reactie. „Op een gegeven moment zal die besluiten, zo is het goed genoeg. De robot gaat door totdat wij stop zeggen.”

hoogleraarTimothy Noël De robot gaat door totdat wij stop zeggen

„We kunnen de robot ook andere doelen meegeven”, vult Slattery aan. „Maak het molecuul zo duurzaam mogelijk, met groene chemie. Of maak het zo goedkoop mogelijk, want bepaalde katalysatoren kunnen best prijzig zijn.”

Slattery appte opgetogen naar Noël toen hij het na lang ploeteren voor elkaar had dat de verschillende apparaten goed met elkaar samenwerkten. Daarna vergde de tweede stap, bewijzen dat de robot daadwerkelijk goed werk verricht, nog veel tijd en aandacht. „We wilden meteen wel van de daken schreeuwen dat we een geweldige robot hadden”, zegt Noël. „Maar bewijzen wat hij kan is enorm belangrijk, daar hebben we uitgebreid tijd voor genomen.” Anders kan de publicatie de prullenbak in.

Iets dergelijks overkwam onderzoekers uit Californië onlangs. Zij publiceerden in november in Nature over een robot die op eigen houtje nieuwe materialen kan ontdekken, maar de ‘ontdekkingen’ die de robot had gedaan bleken geen ontdekkingen.

Uiteindelijk hebben UvA-onderzoekers 19 voorbeelden opgenomen in de studie in Science. Zoveel, omdat een van de reviewers vroeg om ook te verkennen wat de robot kon op het gebied van reacties met dubbele katalyse – een type reactie die moeilijk te optimaliseren is. Op elk van de voorbeelden presteerde de robot beter dan menselijke chemici. In het meest extreme geval kwam de menselijke chemicus tot een yield van 30 procent en de robot tot 68 procent.

Goed reproduceerbaar

„Ik heb drie van mijn beste studenten aan het werk gezet om de voorbeeldreacties op de gebruikelijke manier uit te voeren”, zegt Noël. „Het goede nieuws voor hen was dat hun werk goed reproduceerbaar was. Het slechte nieuws is dat de robot het zoveel beter deed. Dat maakt ze overigens geen slechte chemici, maar een robot is nou eenmaal onvermoeibaar en preciezer dan een mens kan zijn.”

Betere reproduceerbaarheid is het andere grote voordeel. „Fotokatalyse is een relatief nieuwe vorm van chemie en keer op keer blijken er problemen met reproduceerbaarheid”, zegt Noël. „Dan is de lichtintensiteit bijvoorbeeld net anders, waardoor de reactie anders verloopt. Een robot werkt heel gestandaardiseerd en legt alles vast. Ook negatieve resultaten, die normaal nergens worden gepubliceerd. Daar valt veel van te leren.”

RoboChem staat in het midden van het lab. Er zijn veel onderzoekers aan het werk, maar de robot staat vandaag uit. Waarom staat er geen rij promovendi te trappelen voor wat tijd met RoboChem? „We kunnen hem nu best dag en nacht laten draaien en de een na de andere paper publiceren”, lacht Noël. „Maar we zien de grootste meerwaarde in uitbreiding naar nieuwe onderwerpen.” Ze willen dat hij bijvoorbeeld ook niet-lichtgedreven reacties kan uitvoeren.

Delen





Mail de redactie