全球最強(qiáng)“AI發(fā)酵工程師”來了！

最近，上海交通大學(xué)李金金教授團(tuán)隊(duì)甩出一顆重磅炸彈：團(tuán)隊(duì)打造了“基于遷移學(xué)習(xí)和物理可解釋的小樣本AI工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)”——ManuDrive。

通過軟硬件相結(jié)合，AI不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)控工廠動(dòng)態(tài)，精準(zhǔn)地規(guī)劃出物料的配比方案，還能指揮生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化作業(yè)，包括精準(zhǔn)控制溫度、控制通氣系統(tǒng)等。

在生物發(fā)酵領(lǐng)域，時(shí)間是一個(gè)很大的影響因素：微生物在各個(gè)生長(zhǎng)階段的差異十分顯著，它們的生長(zhǎng)狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)發(fā)酵過程的成敗。這也是全球首個(gè)將“時(shí)間維度”引入工業(yè)控制領(lǐng)域的AI，團(tuán)隊(duì)稱其為“人工智能工業(yè)制造超級(jí)工程師”。據(jù)悉，該成果已經(jīng)成功落地轉(zhuǎn)化。人工智能全面接管工廠后的最近一個(gè)月，就將產(chǎn)量向上突破了3到5個(gè)百分點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)稱，該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的可拓展性，可以用于大多數(shù)制造工廠中。

1. 軟硬件結(jié)合，7x24小時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控

ManuDrive由上海交通大學(xué)李金金教授團(tuán)隊(duì)，與抗生素龍頭川寧生物共同打造。川寧生物是國(guó)內(nèi)抗生素中間體的龍頭企業(yè)，主要產(chǎn)品涵蓋硫氰酸紅霉素、頭孢、青霉素等抗生素中間體以及UDCA高端原料藥、輔酶Q10等?；谏锇l(fā)酵法工藝路線，目前川寧生物建設(shè)500立方生物發(fā)酵罐，為當(dāng)前全球抗生素生產(chǎn)領(lǐng)域最大單體發(fā)酵罐。然而發(fā)酵過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，要“伺候”這些微生物菌種并不容易。菌種對(duì)環(huán)境要求非常高，發(fā)酵過程中要考慮溫度、PH值、溶氧量、碳氮比等上百個(gè)維度數(shù)據(jù)，包括加料速度、混合均勻性都會(huì)影響發(fā)酵結(jié)果。因此需要進(jìn)行大量實(shí)時(shí)的參數(shù)檢測(cè)與跟蹤，傳統(tǒng)發(fā)酵過程中，這依賴工程師24小時(shí)全天候值守，才能獲得穩(wěn)定批次的發(fā)酵產(chǎn)物。有了AI超級(jí)工程師，距離川寧新疆工廠3000公里外的上海，就能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)整個(gè)發(fā)酵過程。

簡(jiǎn)單而言，整個(gè)ManuDrive系統(tǒng)通過軟硬件結(jié)合方式運(yùn)行，即AI智能大腦+傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過程的自動(dòng)化精準(zhǔn)控制。在軟件層面，ManuDrive學(xué)習(xí)掌握了18萬(wàn)條工藝參數(shù)，通過深度挖掘并分析海量的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，精確規(guī)劃出物料的配比方案，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制。在硬件方面，通過對(duì)發(fā)酵罐等各類生產(chǎn)設(shè)備設(shè)置各類傳感器，能夠?qū)崟r(shí)捕捉PH、溶氧量、等各項(xiàng)參數(shù)，并將其源源不斷反饋給AI系統(tǒng)進(jìn)行分析。AI接受這些參數(shù)之后，可實(shí)時(shí)生成未來每一時(shí)刻的最優(yōu)發(fā)酵方案。引入時(shí)間維度動(dòng)態(tài)變化后，AI能夠以毫秒級(jí)的速度對(duì)整個(gè)發(fā)酵過程進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，并且能夠提前預(yù)測(cè)產(chǎn)量和發(fā)酵趨勢(shì)，生產(chǎn)誤差非常小。以抗生素發(fā)酵7天的周期為例，在發(fā)酵進(jìn)行到第20小時(shí)的時(shí)候，ManuDrive就能生成從第21小時(shí)、第22小時(shí)、第23小時(shí)，一直到最后第150小時(shí)的完整發(fā)酵操作方案，通過精準(zhǔn)神算“預(yù)測(cè)”整個(gè)生物制造過程。

在生產(chǎn)過程中，軟件系統(tǒng)通過向硬件設(shè)備發(fā)送指令，確保生產(chǎn)流程的自動(dòng)化運(yùn)行。例如發(fā)酵罐可根據(jù)指令自動(dòng)啟停，溫度調(diào)節(jié)裝置能按預(yù)設(shè)參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)控反應(yīng)溫度，通氣控制系統(tǒng)則維持穩(wěn)定通氣量，各硬件執(zhí)行單元精準(zhǔn)協(xié)同運(yùn)作，從而保障生產(chǎn)過程的精確性和連續(xù)性。

AI如同一位全能的生物發(fā)酵工程師，不僅能夠?qū)崟r(shí)掌控生物發(fā)酵過程，還能預(yù)測(cè)未來發(fā)酵走向。通過AI發(fā)酵工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以將發(fā)酵菌種的抗生素生產(chǎn)潛力充分發(fā)揮出來，能直接提升產(chǎn)能和產(chǎn)物穩(wěn)定性。ManuDrive落地川寧生物后，川寧在生產(chǎn)、配方等多方面實(shí)現(xiàn)了顯著提升。而AI全面接管工廠后的最近一個(gè)月，就將產(chǎn)量向上突破了3到5個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于年產(chǎn)值超過50億元的大廠，接受AI管控的多個(gè)罐體預(yù)計(jì)今年就可增產(chǎn)一成左右。

2. 已轉(zhuǎn)化公司，川寧入股

事實(shí)上，該落地成果源于川寧生物一年前簽署的合作。

2024年2月，川寧生物公告與上海金珵科技有限公司建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，雙方就抗生素中間體發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級(jí)、利用AI輔助合成生物學(xué)研發(fā)及合作開發(fā)新產(chǎn)品等，提升川寧的生產(chǎn)方式和生產(chǎn)效率。而金珵科技就是李金金教授創(chuàng)辦的公司，于2023年12月成立于上海。川寧生物入股了金珵科技，持股比例達(dá)到16.67%。此前川寧生物曾表示，如果能夠順利實(shí)現(xiàn)AI賦能目標(biāo)，未來川寧生物有可能可以滿足全球硫氰酸紅霉素的供應(yīng)需求，相信同時(shí)能大幅提高成本效益。李金金現(xiàn)為上海交通大學(xué)人工智能與微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室主任，曾在美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校、加州大學(xué)圣芭芭拉分校進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，其團(tuán)隊(duì)在“AI for Science”領(lǐng)域深耕10余年，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物和材料領(lǐng)域的專業(yè)大模型AlphaBio和AlphaMat。

據(jù)介紹，ManuDrive基于軟硬件結(jié)合的方式，有別于傳統(tǒng)AI需要大量數(shù)據(jù)，同時(shí)減少“算法黑箱”帶來的可解釋性問題。此外，基于AI+傳感器的軟硬件結(jié)合模式，訓(xùn)練效率提升了數(shù)十倍，大大縮短了從模型開發(fā)到實(shí)際應(yīng)用的周期。操作人員還能夠直觀理解模型決策依據(jù)，還能基于因果邏輯對(duì)生產(chǎn)策略進(jìn)行靈活調(diào)整，提升生產(chǎn)決策的科學(xué)性與可靠性。也就是說，ManuDrive憑借創(chuàng)新算法架構(gòu)，僅需十幾張GPU卡，配合傳統(tǒng)AI模型中5%的數(shù)據(jù)量，就能實(shí)現(xiàn)連續(xù)、精準(zhǔn)的推理預(yù)測(cè)。

這一突破不僅大幅削減企業(yè)在算力資源上的資金投入，更顯著降低智能化改造成本，讓中小型企業(yè)也能以低成本部署高效 “AI工業(yè)大腦”。

與川寧的合作也為團(tuán)隊(duì)積累了部署大型工廠的經(jīng)驗(yàn)，未來該系統(tǒng)還可以落地到食品、芯片制造、環(huán)保、生物醫(yī)藥等工業(yè)場(chǎng)景。

北京鴻潤(rùn)寶順科技有限公司創(chuàng)建于2008年，位于北京自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)科技創(chuàng)新片區(qū)，是一家以蛋白胨、大豆蛋白胨、胰蛋白胨、酵母浸粉、牛肉浸粉、等微生物培養(yǎng)基原材料和發(fā)酵原料為主，集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的現(xiàn)代化高新技術(shù)企業(yè)。2020年在四川省閬中市建立生產(chǎn)基地。產(chǎn)品供應(yīng)全國(guó)所有生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)區(qū)，為行業(yè)企業(yè)提供大量生物發(fā)酵所需的有機(jī)氮源原料，不斷創(chuàng)新技術(shù)、調(diào)整配方、升級(jí)工藝，用更好的產(chǎn)品助力行業(yè)發(fā)展。