Международный научный центр SCAMT ИТМО. Фото: Дмитрий Григорьев, ITMO.NEWS

В 2022 году в ИТМО стартует новая магистерская программа ― «Химия и искусственный интеллект». Студенты освоят решения нестандартных химических, материаловедческих и биологических задач с помощью технологий ИИ и data science.

Совершенно не обязательно иметь опыт программирования, чтобы стать специалистом в области применения искусственного интеллекта в химии. В этой статье мы расскажем об особенностях программы и о том, как на нее поступить.

Зачем химикам нужен искусственный интеллект? Часто ученые работают над получением материалов или молекулярных соединений с заданными свойствами, желательно новыми и уж явно лучшими, чем в ранее опубликованных работах. Иными словами, приходится проводить масштабную лабораторную работу в десятках, а то и сотнях человек-часов, которая не всегда приводит к появлению чего-то нового.

Почему так? Проблема кроется в нескольких дьявольских деталях.

Во-первых, плохо (или избирательно) проводится анализ уже опубликованных данных по области, что приводит к задаче оптимизации по получению “нового” материала, который будет не слишком отличаться от уже существующих. Тогда мы знаем немного о том, что работает хорошо, но совершенно не смотрим на то, что потенциально может работать гораздо лучше.

Во-вторых, современная химия материалов во всем своем разнообразии плохо поддается теоретической обработке, чаще всего достаточно сложно заметить взаимосвязь между некоторыми структурными или морфологическими особенностями материала и их физико-химическими свойствами, особенно количественно. В лучшем случае мы можем провести теоретические расчеты методами квантовой химии, которые имеют много ограничений. Часто длительность и ресурсоемкость приводят к ситуации, когда мы используем теоретическую химии только для пояснения экспериментальных результатов, а не предсказания перед экспериментом.

Поэтому работа по получению новых материалов является нетривиальной, эмпирической и длительной наукой, в основном из-за ограниченных возможностей ученых эффективно получать, анализировать, управлять и понимать сложные и постоянно растущие наборы экспериментальных данных.

На помощь приходят big data и искусственный интеллект, появление которых называют «четвертой парадигмой науки» и «четвертой промышленной революцией». Data-driven подход, основанный на данных и применении технологий искусственного интеллекта и машинного обучения, позволяет ускорить и решить ранее считавшиеся нерешаемыми задачами химии и материаловедения.

Успешные примеры применения такого подхода уже можно найти на просторах сети - робот-химик, который проводит сотни экспериментов круглосуточно и анализирует результаты, нейросеть AlphaFold, способная предсказывать трехмерную структуру белков, компьютерная платформа Allchemy, способная из химических отходов синтезировать лекарства.

Data-driven подход в химии находится на переднем крае в науке (frontier), однако пока слабо представлен в образовательных программах вузов как в России, так и за рубежом. Это позволило сконструировать в ИТМО уникальную программу для формирования специалистов нового поколения. Стоит заметить, что получение новых компетенций без синергетического сочетания навыков в химии и использовании искусственного интеллекта и машинного обучения невозможно. Программа позволит революционизировать современные фундаментальные представления как в химии материалов, так и прикладные аспекты их создания, необходимые для химической и биотехнологической промышленности.

Как будет строиться обучение на программе?

На начальном этапе студенты изучат, как представлять химические и материаловедческие объекты в виде набора данных. Затем они научатся собирать данные в базу, писать алгоритмы и программировать, чтобы решать комплексные химические задачи. Следующий шаг — изучение основ машинного обучения и компьютерного моделирования химических процессов. Также студенты научатся использовать нейронные сети для извлечения конкретной информации из большого массива данных. Отдельным интересным модулем будет обработка естественного языка, который позволит искать и анализировать экспериментальные и теоретические данные в формате текста.

Кроме образовательных модулей основой программы будет проектная научная деятельность, где студенты смогут применить новые знания на практике и пройти все этапы построения научного исследования, вплоть до написания статей в высокорейтинговые международные научные журналы.

Фрагмент обложки журнала Small, посвященной статье о сервисе DiZyme. Автор: Диана Савченко / SCAMT

Коллаборация на одной площадке с химиками-экспериментаторами позволит проводить не только исследования по предсказанию свойств новых материалов in silico, но и синтезировать новые соединения и проверить их на практике, используя data-driven подход. Примером такой работы ученых ИТМО является сервис DiZyme по предсказанию свойств нанозимов, который содержит базу данных о наночастицах с ферментативной активностью, интерактивный визуализатор информации и алгоритмы машинного обучения, предсказывающие параметры ферментативной реакции, чья эффективность была доказана экспериментально.

Направление “ИИ в химии” в России пока только начинают зарождаться, но уже сейчас партнерами программы являются крупные биотехнологические и нефтехимические компании, такие как Биокад и Татнефть. Последняя, кстати, в особенной степени задействована и заинтересована в появлении нового поколения химиков-программистов и биотехнологов-программистов.

На базе АГНИ (Альметьевского государственного нефтяного института) в Альметьевске совместно с компаниями "Татнефть" и Napoleon IT была открыта сетевая магистерская программа “Искусственный интеллект в биотехнологических системах”. На программе будут готовить специалистов уровня Middle и Senior в области биотехнологий, которые владеют навыками программирования. При сотрудничестве с ИТМО будут проводиться передовые data-driven исследования в разработке новых лекарственных препаратов для лечения редких заболеваний, инвертированного дизайна наноматериалов для медицины и поиска новых биотехнологических подходов в нефтепромышленности.

Эта программа будет реализована очно в Альметьевске на базе АГНИ, однако часть модулей будут проходить в Университете ИТМО в Санкт-Петербурге. В рамках программы с самого начала учебы студенты будут работать на собственных научных или прикладных проектах в разных областях биотехнологии.

Кроме того, даже в компаниях в сфере информационных технологий, таких как Microsoft, уже ищут на работу химиков-программистов. Выпускники программы также могут продолжить академический путь, поступив в ведущие российские или зарубежные университеты в аспирантуру.

ИТМО и «Татнефть» запустили магистратуру по ИИ в химии и биотехнологиях