5in5 na rok 2020

Share this post:

Co roku pod hasłem 5in5 IBM publikuje 5 przełomowych, innowacyjnych technologii, które mogą w najbliższych 5-ciu latach 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 się potwierdziły, chociażby dynamiczny rozwój e-commerce, rozwiązania mobilne, czy chmura obliczeniowa i wiele innych.

W tym roku innowacje mają związek z ograniczaniem zanieczyszczenia powietrza, globalnym problemem głodu, magazynowaniem energii, zrównoważoną produkcją półprzewodników, czy też 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 materiały, aby stawić czoła wyzwaniom społecznym określonym w celach zrównoważonego rozwoju przez ONZ, od wspierania zdrowia i czystej energii po wzmacnianie zrównoważonego rozwoju, działań klimatycznych oraz odpowiedzialnej produkcji. A to nie wszystko. Proces projektowania i odkrywania materiałów jest tradycyjnie długi i złożony, ponieważ przestrzeń potencjalnych kombinacji pierwiastków chemicznych jest niesamowicie rozległa.

Do szczegółowego zapoznania się z innowacjami adresującymi współczesne wyzwania oraz dodatkowymi materiałami poświęconymi tegorocznej edycji 5in5 zapraszam pod adres: https://www.research.ibm.com/5-in-5/

Przekształcanie CO₂  

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 – punktu krytycznego, powyżej którego lód polarny mógłby stopić się, powodując katastrofalne szkody¹.

W ciągu najbliższych pięciu lat będziemy w stanie skuteczniej wychwytywać CO2 i przekształcić go w coś pożytecznego.

Do tej pory typowe metody wychwytywania emitowanego CO₂ obejmowały absorpcję chemiczną i stosowanie membran do filtrowania CO₂. 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 i 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. Naukowcy z IBM pracują również nad platformą rozwoju zrównoważonych materiałów wykorzystujących CO₂ jako surowca dla np. monomerów i polimerów, takich jak tworzywa sztuczne. Nowe materiały na bazie CO₂ zostały zaprojektowane z naciskiem na możliwość recyklingu, co umożliwia odzysk i ponowne użycie.

Postępujące wychwytywanie i utylizowanie dwutlenku węgla, zanim będzie za późno, wymaga przyspieszenia procesu odkrywania poprzez ścisłą integrację wysokowydajnej infrastruktury obliczeniowej, wyrafinowanych systemów sztucznej inteligencji i automatycznych eksperymentów laboratoryjnych sterowanych przez sztuczną inteligencję 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 pięć 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.

Wiązanie azotu 

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 szacunkowo jeden procent globalnej emisji dwutlenku węgla². W erze zmian klimatycznych nie jest to zrównoważony i skalowalny model produkcji.

W ciągu najbliższych pięciu lat odtworzymy zdolność natury do przekształcania azotu w atmosferze w nawóz bogaty w azotany, który pozwoli nakarmić rozwijający się świat i zmniejszy wpływ produkcji nawozów na środowisko.

Odkąd ludzie uprawiali glebę, polegali na substancjach na bazie azotu w celu zwiększenia plonów – czy to obornika, kompostu, czy w rolnictwie przemysłowym, nawozów chemicznych. Azot, który stanowi cztery piąte powietrza, którym oddychamy³, 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.

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 pięciu lat, mając do dyspozycji sztuczną inteligencję
i obliczenia kwantowe, opracujemy innowacyjne rozwiązanie umożliwiające wiązanie azotu na zrównoważoną skalę i pomagające wyżywić szybko rosnącą populację na świecie.

Magazynowanie Energii

Oczekuje się, że światowe zużycie energii wzrośnie o 50% do 2050 r. Znaczna część wzrostu użycia energii będzie przypisana sektorom przemysłu i transportu⁴. 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 około 3% energii elektrycznej wytwarzanej na świecie⁵. Z kolei rozwój rynku pojazdów elektrycznych zależy między innymi od dostępności tańszych, bezpieczniejszych i mocniejszych akumulatorów. Krótko mówiąc, świat potrzebuje lepszych baterii.

W ciągu najbliższych pięciu lat odkryjemy nowe materiały pozwalające na budowę bezpieczniejszych i bardziej przyjaznych środowisku akumulatorów. Umożliwi to wsparcie sieci energetycznych opartych na odnawialnych źródłach energii oraz wdrażanie bardziej zrównoważonych środków transportu.

Powszechne, lekkie i wydajne akumulatory litowo-jonowe wymagają stosowania kobaltu i niklu, których zasoby maleją i 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 sztuczna inteligencja może mieć na celu przewidywanie właściwych kandydatów molekularnych, umożliwiając naukowcom przetestowanie laboratoryjne najlepszych opcji.

Przewiduje się, że w ciągu najbliższych pięciu 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.

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 może mieć wyższą gęstość mocy, niższą palność i znacznie krótsze czasy ładowania niż konwencjonalne baterie litowo-jonowe.

Fotorezysty 

Produkty, które wytwarzamy czynią nasze życie i pracę, bezpieczniejszymi, zdrowszymi i jeszcze wygodniejszymi. Jednak ogromna ilość i szeroki wachlarz materiałów i towarów, które produkujemy dla prawie 8 miliardów 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  (ang. photoresists). IBM był pierwszą firmą, która stworzyła i wdrożyła nowoczesne fotorezysty ponad trzy dekady 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.

W ciągu najbliższych pięciu lat będziemy rozwijać produkcję materiałów, umożliwiając producentom półprzewodników wytwarzanie ich pożądanych produktów metodami zrównoważonymi.

Przyspieszony cykl odkrywania umożliwi naukowcom gromadzenie i analizowanie znanych informacji o substancjach i fotorezystach z patentów i publikacji. Wykorzystanie tej wiedzy będzie stymulować modelowanie w tradycyjnych i kwantowych systemach. 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 pięciu 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.

Leki przeciwwirusowe

Kryzys COVID-19 ujawnia jak świat w dużej mierze nie jest przygotowany na takie wydarzenie. Społeczność medyczna usilnie pracuje nad zrozumieniem mechanizmów komórkowych koronawirusa i poszukiwaniem skutecznych terapii i szczepionek. Szacują, że w naturze może istnieć ponad milion wirusów z potencjałem do rozwoju w podobny sposób jak SARS-CoV-2⁶. Dlatego epidemiolodzy zakładają, że obecne zagrożenie wirusowe nie będzie naszym ostatnim.

Odkrycie jednego nowego materiału o określonych właściwościach zajmuje średnio około 10 lat i kosztuje 10–100 mln USD. Natomiast wprowadzenie nowego leku na rynek może kosztować nawet 2,6 mld USD i zająć ponad 10 lat⁷. Jedną trzecią tych całkowitych kosztów i czasu przypisuje się fazie odkrywania leku, w której naukowcy muszą zsyntetyzować tysiące cząsteczek, aby opracować jednego przedklinicznego głównego kandydata⁸.

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.

W ciągu następnych pięciu lat celem jest ułatwienie tworzenia metod leczenia, tak aby pomóc lekarzom i pracownikom pierwszej linii w zwalczaniu nowych, zagrażających życiu wirusów na większą skalę niż jest to obecnie możliwe.

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.

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 drugi, stosowany w leczeniu raka prostaty, który po przeprowadzeniu szeroko zakrojonego retrospektywnego badania w Hiszpanii stwierdzono, że chroni przed powikłaniami związanymi z COVID-19⁹.

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 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.

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.