ellibsЭлектронные библиотекиRussian Digital Libraries Journal1562-5419Казанский (Приволжский) федеральный университет10.26907/1562-5419-2025-28-5-997-1014ellibs-605Research ArticleСтатьиИнтеллектуальный робот-химик: на пути к автономной лабораторииIntelligent Chemist Robot: Towards an Autonomous LaboratoryАдыгамовМуса ШамильевичAdygamovMusa Shamilevichmusa20930@gmail.comГолубьАнтон ОлеговичGolubAnton Olegovichtoxa.mix7@gmail.comСайфуллинЭмиль РинатовичSaifullinEmil Rinatovichmr.emilsr@gmail.comГимадиевТимур РустемовичGimadievTimur RustemovichTimur.Gimadiev@gmail.comСеровНикита ЮрьевичSerovNikita YurievichSerov.Nikita@gmail.comКазанский (Приволжский) федеральный университетKazan (Volga region) Federal University2025191220252859971014Copyright © Адыгамов М.Ш., Голубь А.О., Сайфуллин Э.Р., Гимадиев Т.Р., Серов Н.Ю., 20252025Адыгамов М.Ш., Голубь А.О., Сайфуллин Э.Р., Гимадиев Т.Р., Серов Н.Ю.Adygamov M.S., Golub A.O., Saifullin E.R., Gimadiev T.R., Serov N.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ellibs.elpub.ru/jour/article/view/605

Представлена программно-аппаратная платформа, которая позволяет проводить химические синтезы в автоматическом режиме, включая приготовление реакционных смесей, их нагрев и перемешивание, а также отбор проб с разбавлением после синтеза и отправку на анализ методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с последующей автоматической обработкой результатов. Для управления отдельными элементами роботизированной установки создана собственная библиотека ChemBot на языке Python, а для управления всей системой – клиентский веб-сервер; для просмотра состояния установки и хода выполнения синтезов разработан веб-интерфейс. Работа всей платформы по выполнению экспериментов протестирована при выполнении синтезов по альдольной конденсации, где варьировались соотношение реагентов, катализатор и его количество, температура и время синтеза. Написание собственного кода для контроля и управления всей системой стало важным шагом на пути интеграции роботизированной установки и искусственного интеллекта (ИИ), что в перспективе позволит осуществить переход к автономной лаборатории, когда предсказание целевой молекулы и ее синтеза, экспериментальное осуществление и анализ, а также, при необходимости, уточнение или изменение использованной модели будут осуществляться в автоматическом режиме, без вмешательства человека.

This paper describes a hardware and software platform that enables automated chemical syntheses, including the preparation, heating, and mixing of reaction mixtures, as well as post-synthesis dilution sampling and sending for high-performance liquid chromatography (HPLC) analysis, followed by automated processing of the results. A custom Python library, ChemBot, was developed to control individual robotic devices, and a client web server was created to manage the entire system. A web interface was created to view the system status and the progress of syntheses. The performance of the entire platform for performing experiments was tested by performing aldol condensation syntheses, where the ratio of reagents, the catalyst and its amount, the temperature and time of synthesis were varied. Writing custom code to monitor and control the entire system is an important step toward integrating the robotic system with artificial intelligence (AI), which will ultimately enable the transition to an autonomous laboratory, where target molecule prediction and synthesis, experimental execution and analysis, and, if necessary, refinement or modification of the model will be performed automatically, without the need for human intervention.

искусственный интеллектроботизацияхимический синтезавтономная лабораторияхемоинформатикаartificial intelligenceroboticschemical synthesisself-driving labautonomous laboratorychemoinformaticsReferencesTom G., Schmid S.P., Baird S.G., Cao Y., Darvish K., Hao H., Lo S., Pablo-García S., Rajaonson E.M., Skreta M., Yoshikawa N., Corapi S., Akkoc G.D., Strieth-Kalthoff F., Seifrid M., and Aspuru-Guzik A. Self-Driving Laboratories for Chemistry and Materials Science // Chemical Reviews. 2024. Vol. 16, No. 124, P. 9633–9732. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00055Tom G., Schmid S.P., Baird S.G., Cao Y., Darvish K., Hao H., Lo S., Pablo-García S., Rajaonson E.M., Skreta M., Yoshikawa N., Corapi S., Akkoc G.D., Strieth-Kalthoff F., Seifrid M., and Aspuru-Guzik A. Self-Driving Laboratories for Chemistry and Materials Science // Chemical Reviews. 2024. Vol. 16, No. 124, P. 9633–9732. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00055Seifrid M., Pollice R., Aguilar-Granda A., Morgan Chan Z., Hotta K., Ser C.T., Vestfrid J., Wu T.C., Aspuru-Guzik A. Autonomous Chemical Experiments: Challenges and Perspectives on Establishing a Self-Driving Lab // Accounts of Chemical Research. 2022. Vol. 55, I. 17. P. 2454–2466. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00220Seifrid M., Pollice R., Aguilar-Granda A., Morgan Chan Z., Hotta K., Ser C.T., Vestfrid J., Wu T.C., Aspuru-Guzik A. Autonomous Chemical Experiments: Challenges and Perspectives on Establishing a Self-Driving Lab // Accounts of Chemical Research. 2022. Vol. 55, I. 17. P. 2454–2466. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00220Burger B., Maffettone P.M., Gusev V.V., Aitchison C.M., Bai Y., Wang X., Li X., Alston B.M., Li B., Clowes R., Rankin N., Harris B., Spick R.S., Cooper A.I. A mobile robot chemist // Nature. 2020. Vol. 583. P. 237–241. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2442-2Burger B., Maffettone P.M., Gusev V.V., Aitchison C.M., Bai Y., Wang X., Li X., Alston B.M., Li B., Clowes R., Rankin N., Harris B., Spick R.S., Cooper A.I. A mobile robot chemist // Nature. 2020. Vol. 583. P. 237–241. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2442-2Martin K.N., Rubsamen M.S., Kaplan N.P., Hendrick M.P. Method for Interfacing a Plate Reader Spectrometer Directly with an OT-2 Liquid Handling Robot // ChemRxiv. 2022. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2022-6z4q1Martin K.N., Rubsamen M.S., Kaplan N.P., Hendrick M.P. Method for Interfacing a Plate Reader Spectrometer Directly with an OT-2 Liquid Handling Robot // ChemRxiv. 2022. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2022-6z4q1Sanchez-Lengeling B., Aspuru-Guzik A. Inverse molecular design using machine learning: Generative models for matter engineering // Science. 2018. Vol. 361, I. 6400. P. 360–365. https://doi.org/10.1126/science.aat2663Sanchez-Lengeling B., Aspuru-Guzik A. Inverse molecular design using machine learning: Generative models for matter engineering // Science. 2018. Vol. 361, I. 6400. P. 360–365. https://doi.org/10.1126/science.aat2663Manzano J.S., Hou W., Zalesskiy S.S., Frei P., Wang H., Kitson P.J., Cronin L. An autonomous portable platform for universal chemical synthesis // Nature Chemistry. 2022. Vol. 14. P. 1311–1318. https://doi.org/10.1038/s41557-022-01016-wManzano J.S., Hou W., Zalesskiy S.S., Frei P., Wang H., Kitson P.J., Cronin L. An autonomous portable platform for universal chemical synthesis // Nature Chemistry. 2022. Vol. 14. P. 1311–1318. https://doi.org/10.1038/s41557-022-01016-wLee E.C., Salley D., Sharma A., Cronin L. AI-Driven Robotic Crystal Explorer for Rapid Polymorph Identification // arXiv. 2024. https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.05196Lee E.C., Salley D., Sharma A., Cronin L. AI-Driven Robotic Crystal Explorer for Rapid Polymorph Identification // arXiv. 2024. https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.05196Автоматизированная станция пробоподготовки LifeBot. URL: https://evotech-mg.com/products/avtomatizirovannaya-stanciya-probopodgotovkiАвтоматизированная станция пробоподготовки LifeBot. URL: https://evotech-mg.com/products/avtomatizirovannaya-stanciya-probopodgotovkiSeparations. Analytical Instruments. Smartline HPLC Series. URL: https://separations.nl/en/products/detail/smartline-hplc-series-knauerSeparations. Analytical Instruments. Smartline HPLC Series. URL: https://separations.nl/en/products/detail/smartline-hplc-series-knauerAfonina V.A., Mazitov D.A., Nurmukhametova A., Shevelev M.D., Khasanova D.A., Nugmanov R.I., Burilov V.A., Madzhidov T.I., Varnek A. Prediction of Optimal Conditions of Hydrogenation Reaction Using the Likelihood Ranking Approach // International Journal of Molecular Sciences. 2022. Vol. 23, I. 1. P. 248. https://doi.org/10.3390/ijms23010248Afonina V.A., Mazitov D.A., Nurmukhametova A., Shevelev M.D., Khasanova D.A., Nugmanov R.I., Burilov V.A., Madzhidov T.I., Varnek A. Prediction of Optimal Conditions of Hydrogenation Reaction Using the Likelihood Ranking Approach // International Journal of Molecular Sciences. 2022. Vol. 23, I. 1. P. 248. https://doi.org/10.3390/ijms23010248Ahneman D.T., Estrada J.G., Dreher S.D., Doyle A.G. Predicting reaction performance in C–N cross-coupling using machine learning // Science. 2018. Vol. 360, I. 6385. P. 186–190. https://doi.org/10.1126/science.aar5169Ahneman D.T., Estrada J.G., Dreher S.D., Doyle A.G. Predicting reaction performance in C–N cross-coupling using machine learning // Science. 2018. Vol. 360, I. 6385. P. 186–190. https://doi.org/10.1126/science.aar5169Kashafutdinova I.M., Poyezzhaeva A., Gimadiev T., Matzhidov T. Active learning approaches in molecule pKi prediction // Molecular Informatics. 2024. Vol. 44, I. 1. Art. e202400154. https://doi.org/10.1002/minf.202400154Kashafutdinova I.M., Poyezzhaeva A., Gimadiev T., Matzhidov T. Active learning approaches in molecule pKi prediction // Molecular Informatics. 2024. Vol. 44, I. 1. Art. e202400154. https://doi.org/10.1002/minf.202400154Bort W., Baskin I.I., Gimadiev T., Mukanov A., Nugmanov R., Sidorov P., Marcou G., Horvath D., Klimchuk O., Madzhidov T., Varnek A. Discovery of novel chemical reactions by deep generative recurrent neural network // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. P. 3178. https://doi.org/10.1038/s41598-021-81889-yBort W., Baskin I.I., Gimadiev T., Mukanov A., Nugmanov R., Sidorov P., Marcou G., Horvath D., Klimchuk O., Madzhidov T., Varnek A. Discovery of novel chemical reactions by deep generative recurrent neural network // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. P. 3178. https://doi.org/10.1038/s41598-021-81889-yKnauer. ClarityChrom CDS. URL: https://www.knauer.net/software-claritychrom-cdsKnauer. ClarityChrom CDS. URL: https://www.knauer.net/software-claritychrom-cds

The authors declare that there are no conflicts of interest present.