講座主題:智能實驗方案設計DOE助力材料領域和生命領域配方優化
講座時間:2024年3月28日(周四),14:30
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近年來,材料科學和生命科學領域都迎來了快速發展的時代。從新型材料的開發到生物配方的優化,科學家們在不斷探索如何利用最先進的技術和方法來加速研究進程,提高研究效率。在這個過程中,智能實驗方案設計作為一種新興的技術方向,正逐漸成為學術界和工業界關注的焦點之一。智能實驗方案設計是利用人工智能、大數據分析和自動化技術,幫助科研人員更快速、更精準地設計和執行實驗,從而提高實驗成功率,降低研究成本,加速科學發現的過程。
然而無論在材料領域還是生命科學領域,從研發角度還是實際生產角度,都面臨着一些實際的困境:
· 材料科學領域:
1. 材料設計周期長、成本高:傳統的材料研究往往需要大量的試錯過程和昂貴的實驗成本,導致研發周期漫長,成本高昂。
2. 數據分析效率低:海量的實驗數據需要耗費大量時間和人力進行分析和挖掘,限制了研究進展的速度。大量的實驗、生產數據中的未知規律依靠人為尋找或現有的知識理論無法高效獲取;
· 生命科學領域:
1. 實驗設計的盲目性和試錯成本高:傳統實驗方案設計往往基於研究者的經驗和假設,缺乏系統性的分析和優化。這種盲目性導致了大量試錯和資源浪費,實驗成本高昂且效率低下。
2. 實驗參數的複雜性和多樣性:生命科學研究涉及的實驗參數眾多且複雜,包括溫度、pH值、濃度、時間等。在設計實驗方案時,需要考慮到這些參數之間的相互作用和影響,而傳統方法往往難以全面考量,容易導致實驗設計的不完善和結果的不準確
為了更快實現提升各個領域的研發及生產效率,拉斯维加斯9888必須採用創新的研發模式。大規模的研發、生產數據為智能實驗設計方法的應用提供了豐富的數據基礎。大數據技術的發展和雲計算等高性能計算資源的普及,提供了處理海量數據的能力,促進了機器學習在該領域的應用。
在本次直播中,拉斯维加斯9888將深入探討智能實驗方案設計在材料科學和生命科學領域的應用,並分享最新的研究成果和技術進展。具體內容包括:
材料科學領域:
· 智能材料設計:介紹利用人工智能和機器學習技術加速新材料發現的方法和案例。
· 實驗方案優化:探討如何利用智能實驗方案設計提高材料實驗的成功率和效率,減少研究成本。
· 基於數據驅動的實驗方案設計:分享如何利用大數據分析技術挖掘實驗數據,加速材料科學研究的進展。
生命科學領域:
· 高通量實驗優化:介紹化學藥合成過程,尤其是涉及多個變量的反應條件優化(如溫度、壓力、濃度、催化劑種類和比例等),如何指導每一輪實驗的設計,達到預期效果最好的條件。
· 生產工藝參數優化:探索如何通過調整生物藥生產中的細胞培養條件、發酵過程參數等,以最大化產物的產量和質量,同時降低生產成本
· 更多應用:探討智能化實驗方案設計在藥物配方設計、藥物遞送系統設計、藥物篩選與表徵等方面如何解決研究與開發中的複雜的優化問題。
拉斯维加斯9888科技自主研發的MaXFlow分子模擬與人工智能平台,可以讓科研人員以更高效、靈活地方式將實驗方案設計和人工智能手段應用於各個行業的研發、生產優化,將大數據、雲計算、人工智能與材料/生物的配方優化模式相結合,建立適合於當下快節奏、高效率的配方優化新範式。
講座內容:
本次講座會結合案例+軟件實操的方式來跟大家帶來有關智能實驗方案設計方法運用在材料科學/生命科學的相關分享。
1. 智能實驗方案設計的基本知識
· 實驗方案設計的背景
· 機器學習方法輔助下的工藝參數優化模式
· 基於貝葉斯優化的實驗方案設計—EDBO
圖 | 貝葉斯優化方法的可視化示意圖
2. 智能實驗方案設計在材料領域的應用
· 智能實驗方案設計在材料領域的成功案例
· 智能實驗方案設計助力配方優化的進程
MaXFlow平台圖 | 實驗數據分析工作流示意圖人工智能方法助力關鍵工藝參數篩選
機器學習方法輔助下的工藝參數優化模式
3. 智能實驗方案設計在生命領域的應用
· 智能實驗方案設計在化學藥合成中的應用
· 智能實驗方案設計在生物藥研發中的應用
提問集錦
QUESTION
材料專題
Q&A
Q1:EDBO有生成實驗數目的限制嗎?
Answer
目前MaXFlow由於計算空間的限制,自變量最好控制在8個以內,生成的實驗個數一次最多生成10個,如果報錯為超出計算空間的限制,則疊代生成的實驗個數減少再做嘗試即可。
Q2:EDBO針對於哪種實驗場景?
Answer
EDBO針對於做配方優化或者是工藝參數優化的場景中。如果是科研單位,可以用於合成實驗等;如果是生產單位,可以用於不同材料的生產場景中,如新產品小試階段。
生命專題
Q&A
Q1:為什麼機器學習能幫助確定關鍵工藝參數?
Answer
機器學習能夠幫助確定關鍵工藝參數的原因在於其獨特的數據驅動和自我學習能力,尤其是在面對複雜的、多變量關聯以及非線性關係時表現突出。
因為關鍵工藝參數之間的關係不是簡單的線性關係,而是複雜的非線性映射。機器學習中的多種算法(如神經網絡、支持向量機、決策樹等)擅長捕捉這種複雜性。通過對歷史數據的學習,機器學習模型可以用來預測不同工藝參數組合下可能的產品質量和生產效率,通過分析各參數間的交互作用來確定它們對最終輸出的綜合影響,進而找出最優工藝參數設置。
Q2: 貝葉斯優化為何適合用於複雜的生命科學領域中的配方設計優化?
Answer
貝葉斯優化方法特別適用於處理高度非線性、多變量且存在噪聲的系統,這正是生命科學領域配方設計的特點。由於化學藥和生物藥的製備過程往往涉及到多種組分相互作用,其結果可能受諸多因素影響,而且實驗成本高、耗時長。貝葉斯優化可以結合機器學習算法預測未知區域的性能,並利用高效的全局優化策略,即使面對複雜的黑箱函數也能高效搜索最佳配方組合。
Q3: 在實際的藥物配方開發案例中,貝葉斯優化是如何提升實驗效率和產品質量的?
講師答覆
在實際應用中,貝葉斯優化會通過疊代地選擇具有最高預期改善的候選配方來進行試驗。例如,對於某一特定藥物製劑,它會選擇最有可能增加藥物穩定性和/或生物利用度的成分比例進行測試。每一輪實驗的結果都會反饋至貝葉斯模型中,更新對目標函數的理解,進而精確地定位到最優解附近。這種逐步逼近的方式顯著減少了無效或低效實驗的數量,縮短研發周期,並有助於發現既滿足性能要求又具備生產可行性的理想配方。