Co roku pod hasłem 5in5 IBM publikuje 5 przełomowych, innowacyjnych technologii, które mogą w ciągu 5 lat kompletnie zmienić oblicze ludzkiej pracy oraz życia. Jest to forma komunikacji pracy 3000 naukowców IBM Research pracujących w wielu projektach, która wskazuje przełomowe technologie i rozwiązania, które adresują wyzwania obecnego świata i tworzone są w zaciszach laboratoriów. Niejednokrotnie prognozy – co do przełomowości wskazanych przez 5in5 innowacji – potwierdziły się, chociażby dynamiczny rozwój e-commerce, rozwiązania mobilne czy chmura obliczeniowa. W 2020 r. innowacje mają związek z ograniczaniem zanieczyszczenia powietrza, globalnym problemem głodu, magazynowaniem energii, zrównoważoną produkcją półprzewodników i problemem walki z szybko rozprzestrzeniającym się koronawirusem.
Wszystkie wymienione problemy są istotne dla przyszłości naszej planety i ludzkości, a na ich rozwiązanie nie możemy już dłużej czekać. Musimy przyspieszyć proces odkrywania, aby sprostać klasie systemowych wyzwań w takich obszarach, jak polityka, trendy gospodarcze, decyzje społeczne i nauki przyrodnicze. Obecnie konwergencja nowych technologii, w tym sztucznej inteligencji (AI) i obliczeń kwantowych, umożliwia nam rozważenie szerszego zakresu pytań, na które odpowiedzi kiedyś były nieosiągalne. Przykładem są chociażby materiały. Światowy popyt na nie rośnie. Musimy pilnie zaprojektować nowe tak, aby stawić czoła wyzwaniom społecznym określonym przez Organizację Narodów Zjednoczonych w celach zrównoważonego rozwoju – od wspierania zdrowia i czystej energii po wzmacnianie zrównoważonego rozwoju, działań klimatycznych i odpowiedzialnej produkcji. Proces projektowania i odkrywania materiałów jest tradycyjnie długi i złożony, ponieważ przestrzeń potencjalnych kombinacji pierwiastków chemicznych jest niesamowicie rozległa.
1. Wychwytywanie i przekształcanie dwutlenku węgla w nowe materiały
Jednym z istotniejszych czynników powodujących zmiany klimatyczne jest nadmierne uwalnianie się gazów cieplarnianych do naszej atmosfery, głównie CO2. Stężenie tego gazu wzrosło w ostatnich dziesięcioleciach szybciej niż w jakimkolwiek innym okresie historii ludzkości, głównie z powodu spalania paliw kopalnych, czy też nieustannej redukcji obszarów leśnych na całym świecie. Rządy i korporacje – w tym IBM – podejmują działania ograniczające emisje CO2, aby pomóc utrzymać globalną temperaturę przed wzrostem o dodatkowe 1,5 °C powyżej poziomu sprzed epoki przemysłowej. Jest to punkt krytyczny, powyżej którego lód polarny mógłby stopić się, powodując katastrofalne szkody (1).
Do tej pory typowe metody wychwytywania emitowanego CO2 obejmowały absorpcję chemiczną i stosowanie membran do filtrowania dwutlenku węgla. Jednak procesy te, choć wydajne pod względem ilości usuwanego CO2, są nadal zbyt energochłonne i kosztowne, aby można je było stosować na całym świecie. Potrzebujemy nowych materiałów oraz procesów dostępnych i działających w skali globalnej.
IBM już teraz tworzy w chmurze bazę wiedzy na temat istniejących metod i materiałów do wychwytywania CO2. Wykorzystuje technologię adnotacji i przetwarzania języka naturalnego w celu pozyskiwania informacji zawartych w patentach i artykułach naukowych. Ponadto wykorzystuje sztuczną inteligencję do analizowania informacji oraz pomocy w identyfikacji obszarów gotowych do odkrycia i przedstawiania wyników badaczowi, np. w postaci rankingu najbardziej znanych materiałów do separacji CO2. W oparciu o tę wiedzę naukowcy są w stanie zdefiniować pożądane właściwości cząsteczek, które należy uwzględnić w procesach wychwytywania i separacji CO2. Zespoły mogą następnie wykorzystywać algorytmy sztucznej inteligencji do przewidywania optymalnych cząsteczek, które będą wykorzystywane jako elementy budulcowe dla skuteczniejszych membran polimerowych do separacji CO2.
Postępujące wychwytywanie i utylizowanie dwutlenku węgla wymaga przyspieszenia procesu odkrywania poprzez ścisłą integrację wysokowydajnej infrastruktury obliczeniowej, wyrafinowanych systemów sztucznej inteligencji i automatycznych eksperymentów laboratoryjnych sterowanych przez AI w celu przetestowania dużej liczby reakcji chemicznych. Reakcje powinny ilustrować zasady projektowania cząsteczek i procesów chemicznych, które umożliwiają wydajną syntezę materiałów zoptymalizowanych pod kątem wychwytywania, separacji i konwersji CO2.
Naukowcy z IBM pracują również nad platformą rozwoju zrównoważonych materiałów wykorzystujących CO2 jako surowiec dla np. monomerów i polimerów, takich jak tworzywa sztuczne. Nowe materiały na bazie CO2 zostały zaprojektowane z naciskiem na możliwość recyklingu, co umożliwia ich odzysk i ponowne użycie.
Postępujące wychwytywanie i utylizowanie dwutlenku węgla, zanim będzie za późno i stopi się lód polarny, wymaga przyspieszenia procesu odkrywania poprzez ścisłą integrację wysokowydajnej infrastruktury obliczeniowej, wyrafinowanych systemów sztucznej inteligencji i automatycznych eksperymentów laboratoryjnych sterowanych przez AI w celu przetestowania dużej liczby reakcji chemicznych. Reakcje powinny ilustrować zasady projektowania cząsteczek i procesów chemicznych, które umożliwiają wydajną syntezę materiałów zoptymalizowanych pod kątem wychwytywania, separacji i konwersji CO2.
Celem na najbliższe 5 lat jest uczynienie procesów wychwytywania i ponownego wykorzystania CO2 na tyle wydajnymi, aby można było stosować je na skalę globalną, ograniczając ilość uwalnianego do atmosfery CO2 i ostatecznie spowolniając zmiany klimatyczne.
2. Wiązanie azotu i przekształcanie go w nawóz, aby nakarmić rozwijający się świat
Stale rosnąca populacja świata wymusza zmiany metod produkcji żywności. Jednym ze sposobów jest znalezienie lepszego, mniej energochłonnego sposobu wytwarzania nawozów, których głównym składnikiem jest azot. Jest to najobficiej występujący składnik w ziemskiej atmosferze. Obecnie główna technika przetwarzania azotu w azotany potrzebne w rolnictwie wymaga spalania równoważnej tony paliwa kopalnego na każdą tonę nawozu. Ta metoda produkcji, znana jako proces Habera-Boscha, odpowiada za ok. 1% globalnej emisji dwutlenku węgla (2). W erze zmian klimatycznych nie jest to zrównoważony i skalowalny model produkcji.
Odkąd ludzie uprawiali glebę, polegali na substancjach na bazie azotu w celu zwiększenia plonów – obornika, kompostu, czy też – w rolnictwie przemysłowym – nawozów chemicznych. Azot, który stanowi cztery piąte powietrza, którym oddychamy (3), jest kluczowym składnikiem białek, DNA i innych niezbędnych do życia cząsteczek. Jednak rośliny mogą używać azotu tylko w „stałej” formie. Pewne bakterie na korzeniach roślin w naturalny sposób wiążą azot zasilając roślinę. Aby rozwiązać problem ograniczonej podaży naturalnie związanego azotu naukowcy pracują nad katalizatorem usprawniającym ten proces biologiczny. Jednak ich zdolność obserwacji i modelowania złożoności molekularnej tego procesu biologicznego była ograniczona.
Za kilka lat komputer kwantowy może być w stanie precyzyjnie symulować różne procesy katalityczne wiązania azotu, poszerzając naszą wiedzę w tym zakresie. Uzyskane dane mogą posłużyć do skonstruowania modeli predykcyjnych i określenia nowych cząsteczek używających niewielkie ilości energii w porównaniu z dzisiejszymi procesami przemysłowymi. Zrównoważone skalowanie tego procesu mogłoby się odbywać poprzez wykorzystanie źródeł energii odnawialnej do łączenia azotu z atmosfery i wodoru z wody do produkcji amoniaku.
Korzystając z przyspieszonego cyklu odkrywania, badacze przejrzą istniejącą wiedzę na temat katalizatorów. Za kilka lat komputer kwantowy może być w stanie precyzyjnie symulować różne procesy katalityczne wiązania azotu, poszerzając naszą wiedzę w tym zakresie. Uzyskane dane mogą posłużyć do skonstruowania modeli predykcyjnych i określenia nowych cząsteczek używających niewielkie ilości energii w porównaniu z dzisiejszymi procesami przemysłowymi. Zrównoważone skalowanie tego procesu mogłoby się odbywać poprzez wykorzystanie źródeł energii odnawialnej do łączenia azotu z atmosfery i wodoru z wody do produkcji amoniaku. Cząsteczki katalityczne odegrałyby tutaj ważną rolę, obniżając ilość energii potrzebnej do podtrzymania procesu wiązania azotu.
W ciągu następnych 5 lat – mając do dyspozycji sztuczną inteligencję i obliczenia kwantowe – opracujemy innowacyjne rozwiązanie umożliwiające w sposób zrównoważony przekształcanie azotu w atmosferze w nawóz bogaty w azotany, który pozwoli nakarmić rozwijający się świat i zmniejszy wpływ produkcji nawozów na środowisko.
3. Magazynowanie energii przy wykorzystaniu nowych materiałów
Oczekuje się, że światowe zużycie energii wzrośnie do roku 2050 aż o 50%. Znaczna część wzrostu użycia energii będzie przypisana sektorom przemysłu i transportu (4). Dzięki pełniejszemu wykorzystaniu niewęglowej energii możemy sprostać temu zapotrzebowaniu bez emisji do atmosfery większej ilości szkodliwego dla klimatu CO2.
Wiele odnawialnych źródeł energii ma nieciągły charakter dla danej lokalizacji. Dlatego niezawodne wykorzystanie energii odnawialnej wymaga możliwości jej magazynowania. Obecnie świat może magazynować tylko ok. 3% energii elektrycznej wytwarzanej na świecie (5). Z kolei rozwój rynku pojazdów elektrycznych zależy m.in. od dostępności tańszych, bezpieczniejszych i mocniejszych akumulatorów. Krótko mówiąc, świat potrzebuje lepszych baterii. Powszechne, lekkie i wydajne akumulatory litowo-jonowe wymagają stosowania kobaltu i niklu, których zasoby maleją oraz są zagrożeniem dla środowiska i zdrowia podczas ich wydobycia i produkcji. Nie do pominięcia jest także proces prawidłowej i bezpiecznej ich utylizacji. Obecnie naukowcy opracowują prototypy litowo-jonowych baterii o stosunkowo niskiej zawartości kobaltu i niepalnych – ciekłych lub stałych – elektrolitów, aby poprawić ich bezpieczeństwo.
IBM dostrzega potencjał sztucznej inteligencji i obliczeń kwantowych mogących pomóc w znalezieniu nowych rozwiązań dla problemu magazynowania energii. Wykorzystanie obliczeń kwantowych będzie miało kluczowe znaczenie dla ulepszenia technologii nowej generacji, takich jak baterie litowo-siarkowe, które mogą być mocniejsze, trwalsze i tańsze niż litowo-jonowe. Następnie – dzięki wykorzystaniu algorytmów sztucznej inteligencji – możemy przewidywać właściwych kandydatów molekularnych, umożliwiając naukowcom przetestowanie laboratoryjne najlepszych opcji.
Wiele odnawialnych źródeł energii ma nieciągły charakter dla danej lokalizacji. Dlatego niezawodne wykorzystanie energii odnawialnej wymaga możliwości jej magazynowania. Obecnie świat może magazynować tylko ok. 3% energii elektrycznej wytwarzanej na świecie. Z kolei rozwój rynku pojazdów elektrycznych zależy m.in. od dostępności tańszych, bezpieczniejszych i mocniejszych akumulatorów. Krótko mówiąc, świat potrzebuje lepszych baterii.
Na początku tego roku naukowcy z IBM opracowali baterię bez kobaltu i niklu, która opiera się na katodzie na bazie jodu. Naukowcy wykazali, że bateria ta może mieć wyższą gęstość mocy, niższą palność i znacznie krótsze czasy ładowania niż konwencjonalne baterie litowo-jonowe.
Przewiduje się, że w ciągu 5 lat, korzystając z przyspieszonego cyklu odkrywania, naukowcy poprawią wydajność baterii, znajdując jeszcze bezpieczniejsze i bardziej wydajne materiały, które zaspokoją rosnące globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną bez dalszego podnoszenia temperatury Ziemi. Pozwalają na budowę bezpieczniejszych i bardziej przyjaznych środowisku akumulatorów. Umożliwi to wsparcie sieci energetycznych opartych na odnawialnych źródłach energii oraz wdrażanie bardziej zrównoważonych środków transportu.
4. Fotorezysty, czyli elektronika powstająca w bardziej zrównoważony sposób
Produkty, które wytwarzamy czynią nasze życie i pracę, bezpieczniejszymi, zdrowszymi i jeszcze bardziej wygodnymi. Jednak ogromna ilość i szeroki wachlarz materiałów oraz towarów, które produkujemy dla prawie 8 mld ludzi na świecie, odbija się na naszej planecie. Wiele z tych materiałów znajduje się w gotowych produktach, których używamy na co dzień, podczas gdy inne są używane tylko podczas ich wytwarzania i są niewidoczne dla konsumentów.
Wszystkie telefony, telewizory, samochody, maszyny medyczne i inne produkty zasilane są chipami półprzewodnikowymi, które stanowią podstawę naszego nowoczesnego stylu życia. Obecnie na świecie jest ich wiele miliardów. Dlatego konieczne jest, aby wszystkie chemikalia, materiały i procesy wykorzystywane podczas ich produkcji były jak najbardziej zrównoważone.
Tranzystory półprzewodnikowe od dawna się kurczą, dając nam mniejsze i mocniejsze (pod względem mocy obliczeniowej) chipy wykorzystywane w produktach końcowych. Ten postępujący proces miniaturyzacji jest w znacznej części możliwy dzięki materiałom typu fotorezyst (photoresists). IBM był pierwszą firmą, która stworzyła i wdrożyła nowoczesne fotorezysty ponad 30 lat temu, a producenci chipów używają ich od tamtej pory. Obecnie, w miarę jak chipy półprzewodnikowe są coraz szerzej stosowane, IBM po raz kolejny pomaga liderom, aby materiały użyte do ich produkcji były bardziej wydajne, efektywne i bezpieczne.
Tranzystory półprzewodnikowe od dawna się kurczą, dając nam mniejsze i mocniejsze (pod względem mocy obliczeniowej) chipy wykorzystywane w produktach końcowych. Ten postępujący proces miniaturyzacji jest w znacznej części możliwy dzięki materiałom typu fotorezyst (photoresists). IBM był pierwszą firmą, która stworzyła i wdrożyła nowoczesne fotorezysty ponad 30 lat temu, a producenci chipów używają ich od tamtej pory. Obecnie, w miarę jak chipy półprzewodnikowe są coraz szerzej stosowane, IBM po raz kolejny pomaga liderom, aby materiały użyte do ich produkcji były bardziej wydajne, efektywne i bezpieczne.
Przyspieszony cykl odkrywania umożliwi naukowcom gromadzenie i analizowanie znanych informacji o substancjach oraz fotorezystach z patentów i publikacji. Wykorzystanie tej wiedzy będzie stymulować modelowanie w systemach tradycyjnych i kwantowych. Połączone wyniki zostaną wykorzystane do zbudowania modeli sztucznej inteligencji, które wesprą poszukiwanie nowych klas związków spełniających cele w zakresie wydajności i ochrony środowiska. Najbardziej obiecujące z nich można będzie przetestować eksperymentalnie za pomocą zrobotyzowanych systemów.
Nauka o materiałach i chemia należą do najtrudniejszych dziedzin badań, a materiały stosowane w produkcji półprzewodników są złożone i wymagają wielu komponentów. Tradycyjna metoda prób i błędów polegająca na poszukiwaniu właściwych kombinacji związków i materiałów jest zbyt czasochłonna i zbyt kosztowna.
Dlatego w ciągu najbliższych 5 lat naukowcy przyjmą nowe podejście do projektowania materiałów, które umożliwi przemysłowi technologicznemu szybsze wytwarzanie zrównoważonych materiałów do produkcji półprzewodników i urządzeń elektronicznych. Prace te mogą dodatkowo pomóc innym producentom w opracowywaniu nowych, bardziej wydajnych, ale bezpieczniejszych i bardziej przyjaznych dla środowiska materiałów do wytwarzania wszelkiego rodzaju produktów.
5. Leki przeciwwirusowe nowej generacji
Kryzys pandemii wywołanej przez COVID-19 ujawnia jak bardzo świat nie jest – w dużej mierze – przygotowany na takie wydarzenie. Społeczność medyczna usilnie pracuje nad zrozumieniem mechanizmów komórkowych koronawirusa i poszukiwaniem skutecznych terapii oraz szczepionek. Szacują, że w naturze może istnieć ponad 1 mln wirusów z potencjałem do rozwoju w podobny sposób jak SARS-CoV-2 (6). Dlatego epidemiolodzy zakładają, że obecne zagrożenie wirusowe nie będzie ostatnim.
Odkrycie jednego, nowego materiału o określonych właściwościach zajmuje średnio ok. 10 lat i kosztuje od 10 mln USD do 100 mln USD. Natomiast wprowadzenie nowego leku na rynek może kosztować nawet 2,6 mld USD i zająć ponad 10 lat (7). Jedną trzecią tych kosztów i czasu przypisuje się fazie odkrywania leku, w której naukowcy muszą zsyntetyzować tysiące cząsteczek, aby opracować jednego, przedklinicznego, głównego kandydata (8).
Jednym ze sposobów na szybsze opracowywanie metod leczenia pojawiających się wirusów, takich jak COVID-19, jest identyfikacja potencjalnych terapii na podstawie leków już dostępnych na rynku, które zostały przetestowane i okazały się bezpieczne dla ludzi. Pozwala to na rozpoczęcie kolejnych badań, umożliwia szybsze badania kliniczne i przegląd regulacyjny. Połączenie sztucznej inteligencji, analiz i danych może potencjalnie pomóc w szybkiej weryfikacji rzeczywistych dowodów medycznych w celu zasugerowania nowych kandydatów do zmiany przeznaczenia leków i przyspieszenia badań klinicznych. Proces ten umożliwia skalowanie systematycznego, ponownego wykorzystywania cyfrowych danych medycznych, w tym ich agregacji, analizy i interpretacji. Celem będzie pomoc społeczności medycznej w zidentyfikowaniu nowych wzorców w zanimizowanej dokumentacji medycznej milionów pacjentów oraz uzyskanie informacji na temat epidemiologii chorób zakaźnych i potencjalnych metod ich leczenia.
Jednym ze sposobów na szybsze opracowywanie metod leczenia pojawiających się wirusów, takich jak COVID-19, jest identyfikacja potencjalnych terapii na podstawie leków już dostępnych na rynku, które zostały przetestowane i okazały się bezpieczne dla ludzi. Pozwala to na rozpoczęcie kolejnych badań, umożliwia szybsze badania kliniczne i przegląd regulacyjny. Połączenie sztucznej inteligencji, analiz i danych może potencjalnie pomóc w szybkiej weryfikacji rzeczywistych dowodów medycznych w celu zasugerowania nowych kandydatów do zmiany przeznaczenia leków i przyspieszenia badań klinicznych.
W kontekście COVID-19 naukowcy wykorzystali te technologie w oparciu o rzeczywiste dowody, aby zasugerować zastosowanie dwóch, istniejących leków – jednego zatwierdzonego do leczenia określonych zaburzeń immunologicznych i endokrynologicznych, uznanego za skuteczny w zmniejszaniu śmiertelności hospitalizowanych pacjentów z COVID-19 oraz drugiego, stosowanego w leczeniu raka prostaty, który po przeprowadzeniu szeroko zakrojonego retrospektywnego badania w Hiszpanii stwierdzono, że chroni przed powikłaniami związanymi z COVID-19 (9).
Podczas gdy wiele z tych badań zmieniających przeznaczenie zaczyna się jako niepotwierdzone obserwacje lub oparte na wiedzy hipotezy naukowe, dowody ze świata rzeczywistego mogą być systematycznie wydobywane i przenoszone na większą skalę za pomocą przyspieszonego cyklu odkryć, co pozwala naukowcom wyjść poza obecne badania korelacyjne. W przyszłości narzędzia te mogą zostać szeroko przyjęte w różnych branżach, skutecznie stając się jednym ze sposobów szybkiego reagowania na globalne, zagrażające życiu wirusy.
W ciągu następnych pięciu lat badacze medyczni mogą zidentyfikować nowe możliwości zmiany przeznaczenia leków na większą skalę i nadać im priorytety w badaniach klinicznych w oparciu o dostępne dowody, pomagając skrócić czas poświęcony na proces odkrywania leków. Pomoże to lekarzom i pracownikom pierwszej linii w zwalczaniu nowych, zagrażających życiu wirusów na większą skalę niż jest to obecnie możliwe.
Piotr Beńke, CTO w IBM Poland & Baltics
Referencje:
1. https://www.nature.com/articles/d41586-019-03595-0
2. https://cen.acs.org/environment/green-chemistry/Industrial-ammonia-production-emits-CO2/97/i24
3. https://www.ch.ic.ac.uk/rzepa/mim/environmental/html/nitrogen.htm
4. https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=41433
5. https://www.swecourbaninsight.com/urban-energy/beyond-the-tipping-point-future-energy-storage/
6. https://www.livescience.com/61848-scientists-hunt-unknown-viruses.html
7. https://www.phrma.org/en/Advocacy/Research-Development/Clinical-Trials
8. DiMasi, J.A.; Grabowski, H.G.; Hansen, R.W., 2016. Innovation in the pharmaceutical industry: New estimates of R&D costs Journal of Health Economics. 2016. 47:20-33
9. Pagano, F., Ragazzi, E. and Prayer-Galetti, T., 2020. Androgen-deprivation therapies (ADTs) for prostate cancer and risk of infection by SARS-CoV-2: a population-based study.
