人工智能可以幫助創(chuàng)造更安全的納米材料嗎？

人工智能 (AI) 越來(lái)越多地應(yīng)用于化學(xué)和納米技術(shù)行業(yè)。雖然很多重點(diǎn)都圍繞著各種精細(xì)化工、醫(yī)藥產(chǎn)品和新型納米材料的設(shè)計(jì)、合成和放大方面，但人工智能還可以在另一方面幫助這些行業(yè)和更廣泛的科學(xué)界。這是通過(guò)幫助創(chuàng)造更安全的納米材料。

納米材料安全的重要性

與任何材料或化學(xué)品一樣，納米材料需要安全。所有商業(yè)化學(xué)品都經(jīng)過(guò)審查和認(rèn)證，可安全供人類(lèi)使用或處理，包括人類(lèi)可能接觸的產(chǎn)品。納米材料也不例外。許多納米材料的安全性可能比普通化學(xué)品更重要。

大多數(shù)化學(xué)品已經(jīng)存在了一段時(shí)間，因此它們的危害有據(jù)可查。此外，許多新化學(xué)品都是基于現(xiàn)有化學(xué)品，因此危害通常更容易推斷和量化。納米材料，在事物的宏偉計(jì)劃中，要新得多。由于它們的尺寸小且成分多變，納米材料的行為可能與傳統(tǒng)化學(xué)品和體積較大的材料大不相同。因此，納米材料的特性和安全性需要在個(gè)體基礎(chǔ)上進(jìn)行非常詳細(xì)的檢查，因?yàn)樾枰紤]的因素更多，而且它們通常可以到達(dá)、相互作用和滲透其他傳統(tǒng)化學(xué)品無(wú)法到達(dá)的地方——例如作為某些生物屏障和細(xì)胞系統(tǒng)。

這是否意味著納米材料不安全？不，遠(yuǎn)非如此。納米材料經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，許多科學(xué)家和監(jiān)管機(jī)構(gòu)共同努力對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)并確保它們是安全的。在存在潛在危害的情況下，不同的機(jī)構(gòu)將納米材料可能變得有毒（或有害）的限制放在一起，并概述了如何最好地生產(chǎn)、使用并將其整合到不同產(chǎn)品中而不造成傷害的步驟。

但對(duì)納米材料安全性的看法還有另一個(gè)方面。多年來(lái)，媒體對(duì)所謂的納米材料危害的報(bào)道通常很少。例如，“碳納米管是新型石棉?！?雖然我們確實(shí)需要小心并仔細(xì)檢查所有使用的納米材料，但許多沒(méi)有技術(shù)背景的人并不了解納米材料存在于日常生活中（包括可攝入產(chǎn)品）并且是無(wú)害的。

現(xiàn)在，這并不是說(shuō)我們可以在納米材料法規(guī)和安全方面松懈。恰恰相反。與任何材料一樣，納米材料也有毒，因此我們看不到它們被談?wù)摶蚴褂?。發(fā)現(xiàn)了更安全的替代品。正是這種嚴(yán)格的安全程序——涉及大量的物理和化學(xué)測(cè)試以及各種場(chǎng)景下的研究——使得我們所知道的納米材料能夠投入商業(yè)使用。

因此，雖然大多數(shù)納米材料可以安全使用，但我們只知道它們是安全的，這要?dú)w功于各種適當(dāng)?shù)墓に?。這需要繼續(xù)進(jìn)行，單個(gè)納米材料的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，對(duì)納米材料在不同設(shè)置和數(shù)量下的相對(duì)安全性的預(yù)測(cè)就越準(zhǔn)確。雖然每種材料略有不同，但測(cè)試過(guò)程可能需要很多年，并且涉及物理和計(jì)算方法。人工智能現(xiàn)在正在成為一種潛在的選擇，可以幫助科學(xué)家和監(jiān)管機(jī)構(gòu)就不同納米材料的安全性做出更明智的決策。

使用人工智能來(lái)補(bǔ)充納米安全協(xié)議

人工智能算法，尤其是機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)，有可能幫助科學(xué)家為監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)提供最準(zhǔn)確的結(jié)果。一種稱(chēng)為“設(shè)計(jì)安全”的流程用于許多化學(xué)品，以檢查它們對(duì)于職業(yè)處理和最終產(chǎn)品是否安全。在過(guò)去的幾年中，安全源于設(shè)計(jì)方法已應(yīng)用于納米材料。安全設(shè)計(jì)涉及大量數(shù)據(jù)。在這里，人工智能可以幫助科學(xué)家確保納米材料的安全。

應(yīng)該指出的是，使用 AI 確定納米安全性仍然相對(duì)較新。由于納米材料比散裝材料更難預(yù)測(cè)和建模，因此在我們看到 AI 在納米安全方法中定期和在全球范圍內(nèi)使用之前，需要在算法方面做更多的工作。然而，在不同的領(lǐng)域有很大的潛力。

設(shè)計(jì)安全

Safe by Design 是一種概念、流程和一套工具，可以使納米材料和所有材料的生產(chǎn)更安全。這個(gè)概念很簡(jiǎn)單。在設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)始終牢記安全（使用不同的安全工具），而不是先設(shè)計(jì)系統(tǒng)，然后再考慮安全方面的問(wèn)題。

Safe by Design 具有三大支柱。這就是安全的產(chǎn)品、安全的使用、安全的工業(yè)生產(chǎn)。因此，通過(guò)從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、生產(chǎn)的不同方面獲取有關(guān)職業(yè)暴露以及廢物和其他危險(xiǎn)/暴露因素的數(shù)據(jù)，您最終會(huì)獲得有關(guān)不同納米材料在不同環(huán)境中的安全性的大量信息。此外，始終收集有關(guān)納米材料本身安全性的數(shù)據(jù)（包括納米材料的完整表征、納米材料的毒性特征和體外測(cè)試），以及它在預(yù)期最終用途中的安全性產(chǎn)品。

因此，Safe by Design 不僅讓納米材料本身具有來(lái)自不同研究的固有安全性，還使納米材料的生產(chǎn)公司和最終用戶能夠安全地將它們應(yīng)用到他們的產(chǎn)品中。這意味著，如果納米材料的初始試驗(yàn)略有危險(xiǎn)，則可以在生產(chǎn)和集成階段采取措施，以免對(duì)制造部門(mén)的工人以及任何公眾造成風(fēng)險(xiǎn)。購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品。

集成 AI 納米材料分析

那么，人工智能從何而來(lái)？如前所述，收集了大量關(guān)于納米材料生產(chǎn)、它們的安全整合以及納米材料本身信息的數(shù)據(jù)。人工智能不僅可以用來(lái)預(yù)測(cè)納米材料的特性，還可以用來(lái)分析有關(guān)納米材料整體安全性的所有數(shù)據(jù)。

人工智能正被廣泛用于模擬不同納米材料的特性和結(jié)構(gòu)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以利用科學(xué)所知的關(guān)于納米材料（以及與此相關(guān)的任何分子）的不同成分、特性和行為的所有數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)納米材料本身以及在其他情況下將具有的特征。通過(guò)獲取歷史數(shù)據(jù)并分析當(dāng)前感興趣的納米材料，人工智能算法可以做出高度準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，這些預(yù)測(cè)可以與物理表征結(jié)果一起使用。

在分析方面，人工智能對(duì)于確定納米材料在生物環(huán)境中的毒性和安全性可能特別有用，因?yàn)橛性S多不同的因素在起作用——以及可能受到影響的許多不同的生物環(huán)境。使用 AI 算法，所有這些因素都可以編碼為單獨(dú)的操作單元，并且來(lái)自每個(gè)操作點(diǎn)的數(shù)據(jù)可用于構(gòu)建納米材料在體內(nèi)和體外環(huán)境中如何表現(xiàn)的模型。

這通常是通過(guò)將結(jié)構(gòu)相似性與具有已知特性和毒理作用的化學(xué)品進(jìn)行比較來(lái)完成的。擁有與現(xiàn)有所有不同化學(xué)特征相關(guān)的所有數(shù)據(jù)對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)幾乎是不可能完成的任務(wù)，但人工智能算法可以通過(guò)從科學(xué)文獻(xiàn)中推斷來(lái)訪問(wèn)（并理解）這些數(shù)據(jù)。然后，AI 可以直接根據(jù)其結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性預(yù)測(cè)感興趣的納米顆粒/納米材料的毒性特征。

這可以為臨床研究的重點(diǎn)（這將導(dǎo)致更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)輸出）提供一個(gè)良好的起點(diǎn)，因?yàn)檫@些對(duì)于確定納米材料的毒性特征（以及因此的安全性）至關(guān)重要。例如，如果 AI 研究表明特定的納米材料可能會(huì)影響某種類(lèi)型的細(xì)胞或組織，研究人員可以專(zhuān)門(mén)研究這一點(diǎn)（特別是如果它可能不是最初的關(guān)注點(diǎn)）。這是人工智能可以改進(jìn)納米安全工作并可用于減少所需資源和臨床試驗(yàn)成本的關(guān)鍵領(lǐng)域。

將 AI 集成到 Safe by Design 中

雖然表征納米材料自身的特性是安全設(shè)計(jì)方法的基石，但納米材料生產(chǎn)及其使用的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)也很重要，人工智能也可以在更廣泛的安全設(shè)計(jì)方面找到用途。Safe by Design 方法不僅直接使生產(chǎn)者和消費(fèi)者受益，這些協(xié)議的結(jié)果還可以用于制定法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，因此如果 AI 可以使過(guò)程更加準(zhǔn)確，那么它也可以幫助更廣泛的科學(xué)界——和不僅僅是那些直接進(jìn)行分析的人。

在生產(chǎn)端，人工智能算法可以針對(duì)不同職業(yè)環(huán)境下的納米材料暴露水平提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。來(lái)自生產(chǎn)線內(nèi)部和周?chē)h(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)工作環(huán)境中潛在的納米材料和非納米材料物種的具體特征進(jìn)行編碼，人工智能算法可以更準(zhǔn)確地分析實(shí)際暴露水平和潛在的職業(yè)危害。這可以在生產(chǎn)階段為每種納米材料（如有必要）采取更準(zhǔn)確的安全措施。

生產(chǎn)方面的另一個(gè)方面是納米材料生產(chǎn)本身的自動(dòng)化。雖然這與納米安全和設(shè)計(jì)安全沒(méi)有直接關(guān)系，但監(jiān)測(cè)納米材料的暴露水平并同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)本身自動(dòng)化的能力可能會(huì)減少生產(chǎn)線附近需要的人力——從而降低職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)暴露并導(dǎo)致納米材料更安全的工作環(huán)境。

人工智能可以幫助整體安全設(shè)計(jì)方法的其他領(lǐng)域是提煉和分析所有數(shù)據(jù)，使用它來(lái)挑選任何指向安全隱患的趨勢(shì)（無(wú)論是來(lái)自納米材料本身，還是它的使用）。一般來(lái)說(shuō)，需要大量數(shù)據(jù)才能證明納米材料是安全的，可以使用人工智能來(lái)提煉這些數(shù)據(jù)，從而只提出相關(guān)數(shù)據(jù)（無(wú)需花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間手動(dòng)關(guān)聯(lián)）。此外，關(guān)于單個(gè)納米材料的安全性和特性測(cè)試的許多方面——以及使用 AI 算法的好處——也可以擴(kuò)展到將要使用它們的最終產(chǎn)品中，確保最終用戶和公眾也很安全。

總的來(lái)說(shuō)，AI 可以發(fā)揮最大作用的一個(gè)領(lǐng)域是對(duì)生物環(huán)境中的納米材料進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，從而確定它們的毒性特征。然而，人工智能自動(dòng)化和監(jiān)控方法也有助于提供更安全的納米材料生產(chǎn)環(huán)境。

結(jié)論

納米材料因其體積小而被廣泛報(bào)道為不安全的。然而，其中許多本質(zhì)上是安全的，要在商業(yè)環(huán)境中使用，它們需要在進(jìn)入公眾之前通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試。近年來(lái)，Safe by Design 協(xié)議已適用于納米材料，以確保它們對(duì)處理它們的任何人以及購(gòu)買(mǎi)納米材料增強(qiáng)產(chǎn)品的任何人都是安全的（如果它們是危險(xiǎn)的，則采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

這些測(cè)試和協(xié)議會(huì)生成大量數(shù)據(jù)，必須對(duì)其進(jìn)行整理、分析和展示。我們都知道，人工智能算法可以比人類(lèi)更準(zhǔn)確、更快速地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)和分析。因此，雖然它目前處于起步階段，在定期實(shí)施之前需要做更多的工作，但人工智能有可能用于納米材料（和其他材料）的安全設(shè)計(jì)流程，以加快流程并改進(jìn)納米材料增強(qiáng)產(chǎn)品和納米材料原料產(chǎn)品的安全性。

審核編輯黃昊宇