当科研仪器有了AI“大脑”，智能双束电镜系统解放科研人员双手

当科研仪器会“思考”，将发生什么？不仅是大幅提升的实验速度和成功率，最关键的，是科研人员不用再时刻守候在设备前，有更多的精力去探索关键科学问题。

海淀区成府路150号，北京科学智能研究院内，其与北京大学、深势科技共同研发的我国首套智能双束电镜系统，让业界看到了人工智能技术深度赋能科学研究的更多可能。以北京科学智能研究院为代表，北京正通过系统性布局与前沿探索，努力成为全球科学智能的范式引领者。

装上“AI大脑”的科研仪器

在北京大学综合科研楼，材料科学与工程学院研究员赵晓续仔细查看着双束电镜的最新实验数据。两公里外的北京科学智能研究院，研究员张泽中也在调试着双束电镜，略有不同的是，他将这台高端科研仪器“搬”到实验室的电脑里，正借助它的“数字双胞胎”，调试其专属的智能系统。

人类探秘微观世界的过程中，双束电镜是重要的利器之一。但曾经，要操控一台双束电镜，实验员不仅要经历长久的练习，还得耐得住漫长、枯燥、重复的实验过程。

张泽中回忆，一次偶然的机会，赵晓续与他聊起这个长期困扰科学研究的瓶颈，两人一拍即合，决定为双束电镜装上“AI（人工智能）大脑”，“这种重复性强、标准化程度高的操作，恰恰是人工智能擅长的部分。”

然而，如何获取足够的训练数据，成为智能系统研发的最大难题。“双束电镜的机时预约排得满满当当，我们不可能长时间占用它进行训练。”张泽中解释，要让科研仪器变“聪明”，数据很重要，可在材料科学中，既没有两块一模一样的样品，也没有完全相同的加工流程。

去哪儿找数据？数字孪生的创意，打开了突破口。经过持续技术攻坚，一套双束电镜的“模拟驾驶”软件诞生。

用最简单通俗的话来概括“模拟驾驶”的过程，就是——团队成功模拟出材料样品在双束电镜下的变化，同时通过双束电镜的“数字双胞胎”对实验过程进行仿真。这样，在虚拟实验中获取的数据，就可以与真实实验的数据进行对比、学习，难题迎刃而解。

“就像一名等待培养的学生，起初，面对新情境时，这套系统也会犯一些低级错误，不过它会主动记到‘错题本’中，每个步骤都能溯源。随着学习不断深入，系统已经追上了科研团队的水平。”更让张泽中惊喜的是，人工智能系统的学习能力很强，甚至能做到举一反三，“我们的研发过程是智能化的，这台双束电镜最终也实现了智能化。”

自主精准的科研“助手”

不久前，在一场人工智能与人类的“比赛”中，智能双束电镜系统交出了一份优秀答卷：一名新手实验员，操控双束电镜制样的成功率可能不足30%；而在“AI大脑”指挥下的智能双束电镜，无需人工干预，成功率实现大幅跃升，单样品制备时间与熟手持平。

赛场之外，这位“助手”也正帮助科研团队，从繁重的重复性实验中渐渐解放出来。

“有时仅一块材料样品，操作人员就需要在双束电镜下进行十几处不同区域取样，再开展统计分析，在实验室里一坐就是一整天。”赵晓续解释，要在粗细仅与头发丝相仿的实验材料上切削和提取样品，实验员需要先找到精确的区域，再操控双束电镜准确切割出厚度仅微米级的薄片，随后，再用一根极细的取样针，小心地取出薄片，并最终将其减薄至几十纳米，让电子能够穿透。

制样过程中，样品会不断积累微小的漂移，需要人工持续校准。可当实验员连续工作10小时以上时，判断力会不可避免地下降，更容易出现失误，而一旦出现失误，只能从头来过。也因此，面对大批量制样任务时，科研团队只能“换人不停机”，轮流守候在设备前。

“这不仅耗费了科研人员的大量精力，也成为制约科研产出的瓶颈。”赵晓续说。如今，科研人员只要给出明确指令，智能双束电镜系统就能自主感知、判断、执行任务，即使夜间无人值守，它也能准确识别样品切割区域，自动规划并完成切割，手法如“老师傅”般熟练。

“仪器有能力自主完成枯燥重复的工作，人才会有更多的精力去攻坚克难。”张泽中想得更远。他的目标是，让双束电镜的人工参与度降至20%以下，一名实验员有能力同时管理5台仪器，更大地解放科研生产力。

面向未来的创新引擎

解放科研生产力，智能双束电镜系统只是一例。

AI for Science，即科学智能，被誉为科学发现的“第五范式”，已成为全球主要科技强国重点布局的战略方向。成立于2021年的北京科学智能研究院，是全球首个专注于科学智能领域研究和发展的新型研发机构。

5年间，这家年轻的研究院加速“奔跑”，诞生出世界级科研成果——全球首个覆盖元素周期表中90余种元素的大原子模型DPA-1。DPA-1被誉为“自然科学界的GPT”，最新的3.0版本，在电脑里即可模拟微观粒子间的互动，大幅加速材料、能源、催化等领域的研发。

“研究院以‘解放科学家、赋能新工业’为使命，围绕变革传统科学计算研究范式开展关键技术攻关，加速开源生态建设，助力北京成为全球科学智能的发起人、先锋队、引领者。”北京科学智能研究院院长李鑫宇表示。

想向上生长，先要向下扎根。北京科学智能研究院布局的“四梁N柱”建设，就是在筑牢地基。“四梁”是平台系统，即基本原理与数据驱动的模型算法与软件，高效率、高精度的实验方法，替代文献的数据库与知识库，高度整合的算力平台；“N柱”则对接支撑锂电池、创新药、高性能合金等国家战略需求。

如今，一座科学“空间站”搭建起科学智能的服务矩阵，正从北京中关村辐射全球。由北京科学智能研究院与深势科技共同研发的“玻尔·科研空间站”，是全球首个覆盖“读文献-做计算-做实验-多学科协同”的一站式科研平台，已为全球近400万名科学家提供服务。

“我们在智能双束电镜系统研发过程中采集的大量高质量实验数据，也成为‘空间站’知识库的重要组成部分，科研数据正从‘沉睡’走向‘流动’。”在张泽中看来，智能双束电镜系统的跨越，印证了人工智能赋能科学研究的巨大潜能，并将进一步作为新型生产力工具走向工业产线，成为面向未来的创新引擎。