Publicité
Technologie

Découverte de matériaux: en route vers le labo autonome

Automatiser la découverte de matériaux : voilà ce que proposent des mordus de chimie, de robotique et d’informatique afin d’accélérer la science.
24-09-2020

Les travaux d’Alán Aspuru-Guzik réunissent les mots les plus à la mode : intelligence artificielle, robotique et informatique quantique. Un trio grâce auquel le professeur de l’Université de Toronto n’espère rien de moins qu’une rupture en chimie.

Circulant entre les hottes et la colonne de séparation de son laboratoire expérimental de chimie, il est visiblement aux anges. C’est la première fois qu’il dirige un tel laboratoire, bien qu’il soit professeur depuis sept ans. Auparavant, M. Aspuru-Guzik a mené des recherches en chimie informatique à l’Université Harvard, avant de fuir les États-Unis de Donald Trump pour s’installer à Toronto en 2018. Avec son équipe, il monte petit à petit ce laboratoire qui aura la particularité d’être autonome. Et une visite a suffi à nous convaincre que le projet est bien en marche.

Des robots construits par l’équipe côtoient des appareils commerciaux. Un technicien s’affaire à mettre aux normes les conduits d’azote. Le professeur balaie la salle du regard. « Voyez cet endroit comme un lieu d’expansion », dit le professeur, qui ne manque pas d’ambition. Il a aussi le sens du spectacle ; il propose à ses visiteurs d’enfiler un masque de luchador (« lutteur ») le temps d’un égoportrait et ne manque pas d’inclure de la musique salsa dans ses présentations PowerPoint, deux exemples qui montrent sa volonté de mettre sa culture mexicaine de l’avant.

Quel est le principe d’un laboratoire autonome ? Accélérer le rythme des découvertes par l’utilisation de toutes sortes de systèmes automatisés pour réaliser les expériences, mais aussi les concevoir et les améliorer en continu. Une sorte d’Internet des objets capable de prendre des décisions ! Si trouver un matériau pour répondre à un besoin précis prend environ de 10 à 20 ans (il a fallu 25 ans pour les cellules solaires), l’objectif est d’y parvenir 10 fois plus vite avec ces laboratoires futuristes. Cela revient à reproduire, en science des matériaux, l’équivalent de la loi de Moore. Cette loi stipule que la puissance des ordinateurs double à peu près tous les deux ans. Une telle croissance exponentielle en recherche de matériaux s’impose, selon les quelques dizaines de chercheurs qui poursuivent cette mission. En effet, plusieurs grands défis de notre époque, comme ceux de la transition énergétique et des besoins en eau potable, nécessitent de découvrir des matériaux rapidement.

LISEZ LA SUITE DE CE REPORTAGE DANS LE NUMÉRO DE SEPTEMBRE 2020

Pour accéder à l’article complet, consultez notre numéro de septembre 2020. Achetez-le dès maintenant.

Vous êtes abonné à Québec Science? Consulter dès maintenant l’intégralité de cet article via l’application Québec Science en cliquant ici. Sur un appareil Apple ou Android.

Une longue quête

Dès 1969, des scientifiques de l’Université Stanford ont imaginé un programme informatique apte à formuler des hypothèses quant à la structure de molécules. Neuf ans plus tard, une équipe de Smith Kline and French Laboratories (aujourd’hui GlaxoSmithKline) présente un prototype de système de synthèse en circuit fermé dans la revue Analytica Chimica Acta. Il permettait de mélanger des liquides et d’échantillonner le résultat, le tout branché sur un ordinateur. « On voulait voir s’il était possible d’automatiser une réaction chimique, d’entrer simplement les paramètres pour qu’elle se fasse, sans que quelqu’un intervienne dans le processus, nous raconte de Californie Herbert Winicov, âgé aujourd’hui de 85 ans et qui a supervisé cette équipe. On a essayé et cela a fonctionné ! Mais c’était très basique et il aurait fallu beaucoup de travail d’ingénierie pour rendre le tout plus sophistiqué. »

Les appareils facilitant la vie des chimistes ont continué de voir le jour, mais il a fallu attendre 2009 pour qu’Adam, un robot britannique, avance une hypothèse (au sujet du génome d’une levure) et la confirme lui-même – des travaux parus dans Science. Ces quatre dernières années, des équipes ont utilisé des laboratoires autonomes pour la synthèse de nanotubes de carbone, pour la production d’alliages qui conservent la mémoire de leur forme initiale et même pour la découverte de nouvelles réactions chimiques, entre autres.

Alán Aspuru-Guzik, titulaire de la Chaire de recherche Canada 150 en chimie théorique et quantique, pose devant son système robotisé de synthèse de matériaux. Image: Adam Coish

En mai dernier, Alán Aspuru-Guzik et des collègues canadiens ont publié, dans Science Advances, leurs aventures relatives à la recherche de matériaux en couches minces, typiques des cellules solaires. Ce n’est qu’un début pour ce professeur, puisque son laboratoire expérimental est sur le point d’être fonctionnel. On y trouve 300 composés qui peuvent être combinés pour formuler des dizaines de millions de molécules inédites.

Avant même qu’une expérience y commence, un programme d’intelligence artificielle fouillera ces possibilités et désignera les candidates les plus intéressantes pour un besoin particulier − son équipe multidisciplinaire entend se concentrer d’abord sur les lasers organiques solides (des matériaux basés sur le carbone qui émettent une lumière concentrée et qui pourront entrer dans la fabrication de capteurs précis, notamment). Le bras robotisé enfermé dans une cage vitrée au milieu du laboratoire synthétisera alors jusqu’à 30 molécules par semaine qui passeront ensuite une batterie de tests pour établir leurs propriétés, toujours sans intervention humaine.

Le professeur Aspuru-Guzik n’exclut pas d’intégrer un robot circulant dans le laboratoire d’un appareil à l’autre (son collègue Andrew Cooper en a déjà un, présenté sur la photo ci-bas). Enfin, les résultats seront envoyés à l’agent intelligent qui intégrera l’information à ses analyses pour mieux sélectionner les prochaines molécules à produire et tester, ce qui réduit le nombre d’expériences nécessaires. Jusqu’à ce que la machine crie «Eurêka»!

Ce chimiste robotisé, mis au point par l’équipe du professeur Andrew Cooper, est guidé par des algorithmes qui l’aident à choisir quelles molécules synthétiser et tester parmi 98 millions de possibilités. Image: Andrew Cooper

«Le but est d’accélérer la science, mais aussi de faire jaillir de nouvelles idées», indique Alán Aspuru-Guzik, qui croit en la créativité de la machine. Il cite alors l’écrivain argentin Jorge Luis Borges : «Dieu meut le joueur et le joueur, la pièce. Quel dieu, derrière Dieu, commence cette trame […] ?» Il explique : «Le scientifique est ce dieu derrière Dieu ! Il se trouve toujours derrière le robot.»

Mais derrière ces deux entités pas si divines se trouvent des superordinateurs et des données, des tonnes de données. Il existe une centaine d’éléments chimiques dans le tableau périodique et des possibilités infinies de les unir et de fabriquer de nouvelles molécules. Et chacune d’elles possède un ensemble de propriétés. Ça donne le tournis !

«Quand on travaille avec des données, il faut passer par beaucoup d’opérations avant d’arriver enfin à la partie excitante, explique Kristin Persson, professeure à l’Université de Californie à Berkeley et spécialiste en modélisation des matériaux. On doit produire les données, les organiser, les stocker pour enfin pouvoir faire de l’apprentissage automatique et mettre au point de nouveaux matériaux.»

Depuis 2011, avec son équipe, elle s’est donné pour mission de construire et bonifier une immense bibliothèque en libre accès appelée Materials Project. Quelque 130 000 scientifiques s’en servent dans le monde et téléchargent environ deux millions d’éléments chaque jour. Elle contient presque la totalité des matériaux inorganiques connus et environ 35 000 matériaux hypothétiques et jamais fabriqués, ainsi que leurs possibles propriétés. «Les gens peuvent l’employer dans leur laboratoire. Les données et les algorithmes sont à la disposition de tous. De toute façon, nous ne serions jamais capables d’utiliser à nous seuls [son équipe] la quantité de données sur laquelle nous sommes assis!»

Lors de son doctorat, au tournant des années 2000, Kristin Persson ne pouvait calculer les propriétés que d’un matériau à la fois. «Cela pouvait prendre des mois pour parvenir à une seule propriété d’un seul matériau ! Maintenant, nous pouvons réaliser des milliers de calculs sur des superordinateurs qui sont automatiquement supervisés ; nous n’avons plus besoin de les surveiller pour régler les paramètres par exemple. Je peux donc trouver un nouveau matériau en quelques jours…, mais il peut ensuite falloir des mois ou des années avant que des collègues expérimentalistes le synthétise. » Elle espère que ces derniers embrassent l’automatisation afin qu’ils puissent eux aussi vivre l’accélération du rythme qu’elle a connue au fil de sa carrière.

Des modules flexibles

Une panoplie d’écrans illuminent le laboratoire sombre de Jason Hein, professeur à l’Université de la Colombie-Britannique, que nous interviewons par vidéoconférence. Sur ces ordinateurs figurent les plans du design d’un robot humanoïde. Le chercheur bouge la tête et un Iron Man en construction se dévoile, suspendu au plafond… C’est un fond d’écran fictif ; pendant un instant, il nous a eue ! « Mais on développe un système très semblable à J.A.R.V.I.S., l’intelligence artificielle dans Iron Man, pour superviser l’automation », mentionne le spécialiste de la chimie organique physique. En d’autres mots, son système recourt à Siri, l’assistant vocal d’Apple, pour diriger différents appareils scientifiques et robots connectés.

Le professeur est enthousiasmé par la construction de son laboratoire automatisé. « Mais nous réalisons que les manipulations effectuées par le chimiste sont très variées. Fabriquer des outils pour chacune d’elles est difficile. » Il donne l’exemple d’une récente avancée qui a pourtant l’air simple : taper un contenant sur le comptoir pour que la poudre qu’on vient d’y mettre se détache des parois et se dissolve dans le liquide présent au fond. Il nous montre une vidéo à l’appui. « Pour l’instant, le robot tape trois fois, mais on peut ajouter une couche pour lui dire de frapper jusqu’à ce que les pixels soient tous au fond. On modifie le contrôle de l’automation pour qu’elle se base sur une mesure précise, comme nous le faisons nous-mêmes : on tape jusqu’à ce que tout soit descendu. »

Un membre de l’équipe s’affaire dans le laboratoire de Jason Hein. Photo: Hein Lab

Son groupe, qui travaille en étroite collaboration avec celui de Curtis Berlinguette, de la même université, mise sur des appareils modulaires qu’il détourne pour accomplir différentes tâches. Jason Hein met en application ce que lui a appris son superviseur au doctorat : ne jamais utiliser un objet pour sa fonction initiale ! Ainsi, une simple webcam permet parfois la rétroaction visuelle, peut servir d’outil d’analyse ou même favoriser l’accès à distance au laboratoire.

Car oui, le concept de laboratoire autonome fait éclater le rapport à l’espace : le travail peut se faire à distance entre différents appareils ou expérimentateurs. « Des gens situés n’importe où peuvent se connecter à mon labo [grâce à un réseau virtuel privé] et le faire fonctionner. Cela signifie que, si vous ouvrez un petit collège dans le nord du Canada, vous pourrez faire des expériences dans un établissement de classe mondiale. » (Il a commencé sa carrière de professeur dans une université californienne en démarrage où tout était à bâtir, il sait de quoi il parle !)

Un danger guette toutefois les laboratoires automatisés : la surexcitation devant des automatisations à succès. « Le choix des expérimentations peut être teinté par l’habileté à en réaliser certaines vraiment facilement, concède Jason Hein. On se trouve alors avec une vision unidimensionnelle. »

La menace, le potentiel

Ce bémol n’entame pas l’enthousiasme de son collaborateur Alán Aspuru-Guzik, qui parle de cette vision de la science des matériaux sur toutes les tribunes (même dans le monde du médicaments). Il travaille à unir des scientifiques à travers le pays (dont des Québécois) autour d’une initiative nationale de découverte de matériaux. Il a également cofondé la jeune entreprise Kebotix, qui offre ses services de recherche accélérée aux organisations de toutes sortes (elle a par exemple créé un outil utilisant l’intelligence artificielle pour inventer des plastiques qui causent moins de dommages à l’environnement pour le compte du géant pétrolier BP). Et le rêve du chimiste est qu’un ordinateur quantique vienne un jour accélérer encore davantage les calculs et multiplier les possibilités.

Il reconnaît que certains doutent des promesses des promoteurs des laboratoires autonomes et que d’autres le trouvent trop confiant. « Il y a toujours des optimistes, comme moi, et des pessimistes. Certains se sentent menacés ou résistent au changement », réplique-t-il.

À Varennes, Kulbir Kaur Ghuman, chercheuse au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’Institut national de la recherche scientifique, est d’avis que la recherche en circuits d’apprentissage est une voie d’avenir. « Particulièrement pour s’attaquer à des problèmes urgents comme les changements climatiques ! »

Cette experte en modélisation des matériaux rappelle que nous connaissons l’effet de serre depuis 1850, mais qu’il a fallu un peu plus d’un autre siècle pour parvenir aux premières prédictions quant au réchauffement climatique, en 1981. Depuis, « nous n’avons pas trouvé de solution et c’est là que l’automatisation de la science des matériaux peut réellement nous aider. Et, espérons-le, contribuer à résoudre le problème avant un autre siècle ! » Les domaines de l’énergie et de la capture de carbone sont notamment dans la ligne de mire.

Toutefois, Kulbir Kaur Ghuman estime qu’il serait probablement bon de conserver une part des expérimentations faites par des humains, malgré tout. «Des découvertes majeures ont eu lieu par accident, ce qui est peu probable si les laboratoires sont entièrement gérés par des robots infaillibles.» Le dieu derrière Dieu pourra toujours accomplir de petits miracles.

Image en ouverture de l’article: Shutterstock

Un chercheur à roulettes

Il mesure 1,75 m, pèse 400 kg et travaille 21,5 heures par jour − il lui faut bien recharger ses batteries ! Le robot intelligent d’Andrew Cooper, professeur à l’Université de Liverpool, a livré ses premiers résultats en juillet dans Nature : il a trouvé un catalyseur six fois plus actif que ceux déjà connus pour la production d’hydrogène à partir d’eau et grâce à la lumière du soleil. « Il y a deux ans, tout le monde pensait que cela était une blague », raconte M. Cooper, qui espère maintenant confondre les sceptiques.

Pour parvenir à sa découverte, l’humanoïde a circulé d’un appareil à l’autre dans le laboratoire du professeur pendant huit jours, guidé par des algorithmes, des scanneurs à laser et des systèmes de rétroaction tactile et de vision. Il utilise les mêmes appareils qu’un chercheur sur deux pattes. « Le bras robotisé a des articulations, comme nos coudes et nos poignets, mais contrairement à nous, il peut faire des rotations de 360° », dit Andrew Cooper.

Il espère avoir une équipe de quatre robots d’ici la fin de 2020. Accroîtront-ils la productivité du laboratoire ? « Assurément. En fait, c’est déjà le cas avec un seul robot. Le doctorant qui l’a construit, Benjamin Burger, a effectué plus d’expériences déjà que la plupart des étudiants en réalisent au cours de tout leur doctorat. Pourtant, il a commencé l’expérimentation [avec le robot] il n’y a que trois mois ! »

Publicité

À lire aussi

Technologie

CES de Las Vegas: des technos plus ou moins utiles

Parfois, la technologie complique encore plus le quotidien. Voici quelques exemples d’objets dévoilés pendant le Consumer Electronics Show, à Las Vegas.
Annie Labrecque 16-01-2020
Technologie

Contrôler un bras robotique par la pensée: c’est possible!

Dans notre numéro de décembre, on expérimentait des casques EEG qui permettent de contrôler des objets par la pensée. Pour continuer sur ce thème, la vidéo ci-dessus présente un système...
Québec Science 22-12-2016
Technologie

25000 pieds d’adrénaline

En juin, forts de leur victoire de 2012, des étudiants de l'École polytechnique de Montréal participaient à l'IREC 2013, une célèbre compétition de lancement de fusées expérimentales. Jeu d'enfant? Que non! Même aujourd'hui, concevoir, fabriquer et propulser une fusée reste un exploit technologique!
Joël Leblanc 25-07-2013