نموذج FlowER: نهج جديد للتنبؤ بالتفاعلات الكيميائية عبر دمج المبادئ الفيزيائية الأساسية
مقدمة
شهدت السنوات الأخيرة جهوداً مكثفة لاستغلال قوة الذكاء الاصطناعي ونماذج اللغات الكبيرة (LLMs) في التنبؤ بنتائج التفاعلات الكيميائية الجديدة. إلا أن هذه الجهود حققت نجاحاً محدوداً، ويعود ذلك جزئياً إلى عدم اعتمادها على فهم المبادئ الفيزيائية الأساسية، مثل قانون حفظ الكتلة. وقد توصل فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) إلى طريقة جديدة لدمج هذه القيود الفيزيائية في نموذج التنبؤ بالتفاعلات، مما أدى إلى تحسين دقة وموثوقية نتائجه بشكل كبير. وقد نُشر هذا العمل البحثي الجديد في 20 أغسطس في مجلة Nature.
الفريق البحثي والمنهجية
قام بإجراء هذا البحث فريق من الباحثين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بقيادة البروفيسور كونور كولي، بالتعاون مع جون يونغ جونغ (الآن أستاذ مساعد في جامعة كوكمن، كوريا الجنوبية)، ومن هونغ فونغ (الآن في جامعة دوك)، ونيكولاس كاسيتي، وجوردان لايلز، وني داساناييك.
ركز البحث على تجاوز قصور النماذج السابقة التي تركز على المدخلات والمخرجات فقط، دون مراعاة الخطوات الوسيطة أو ضمان حفظ الكتلة. وقد استخدم الفريق منهجية مبتكرة تعتمد على طريقة طورها الكيميائي إيفار أوغي في السبعينيات، والتي تستخدم مصفوفة الإلكترونات الرابطة لتمثيل الإلكترونات في التفاعل. وقد استخدموا هذا النظام كأساس لبرنامجهم الجديد، المسمى FlowER (مطابقة التدفق لإعادة توزيع الإلكترونات)، والذي يسمح لهم بتتبع جميع الإلكترونات في التفاعل بشكل صريح لضمان عدم إضافة أو حذف أي إلكترونات بشكل خاطئ.
نموذج FlowER و آلية عمله
يستخدم FlowER مصفوفة لتمثيل الإلكترونات في التفاعل، حيث تمثل القيم غير الصفرية الروابط أو أزواج الإلكترونات المنفردة، وتمثل القيم الصفرية غيابها. يساعد هذا في حفظ الذرات والإلكترونات في آن واحد. ويُعتبر هذا التمثيل أحد العناصر الرئيسية لإدراج حفظ الكتلة في نظام التنبؤ.
النتائج والمناقشة
يُعدّ نموذج FlowER في مراحله الأولى، إلا أنه يمثل برهاناً على مفهوم أن نهج مطابقة التدفق التوليدي مناسب جداً لمهمة التنبؤ بالتفاعلات الكيميائية. على الرغم من تدريب النموذج باستخدام بيانات عن أكثر من مليون تفاعل كيميائي، إلا أنه لا يزال لديه بعض القيود، مثل عدم تضمين بعض المعادن وبعض أنواع التفاعلات الحفازة.
يتفوق FlowER أو يضاهي النماذج الحالية في إيجاد المسارات الميكانيكية القياسية، كما أنه يُمكّن من تعميم النتائج على أنواع التفاعلات التي لم تُرصد سابقاً. وقد أظهرت المقارنات مع أنظمة التنبؤ بالتفاعلات الحالية أن FlowER يحقق زيادة كبيرة في الموثوقية وحفظ الكتلة، مع دقة مماثلة أو أفضل قليلاً من حيث الأداء.
أهمية البحث وتطبيقاته المحتملة
يُعدّ نموذج FlowER متاحاً للجميع عبر منصة GitHub، ويتوقع الباحثون أن يكون أداة مفيدة لتقييم التفاعلية ورسم خرائط مسارات التفاعل. ويمكن أن يكون ذا صلة في التنبؤ بالتفاعلات في مجالات الكيمياء الطبية، واكتشاف المواد، والاحتراق، والكيمياء الجوية، والأنظمة الكهروكيميائية.
الخطوات المستقبلية
يسعى الباحثون إلى توسيع فهم النموذج للمعادن والدورات الحفازة، وذلك لأن معظم التفاعلات التي تم تضمينها حتى الآن لا تتضمن معادن أو محفزات. ويهدف البحث على المدى الطويل إلى استخدام هذا النظام للمساعدة في اكتشاف تفاعلات جديدة معقدة وتوضيح آليات جديدة.
التمويل
تم دعم هذا العمل من قبل اتحاد تعلم الآلة لاكتشاف وتوليف الأدوية ومؤسسة العلوم الوطنية.
اترك تعليقاً