工業技術研究院

出生於墨西哥城、目前住在多倫多的化學家朱吉克（Alán Aspuru-Guzik）看著氣候變遷模型，目光漸漸聚焦在誤差線，上頭顯示每種預測都存在許多不確定性。「身為科學家，」他說：「我們有責任思考最壞的情境。」倘若氣候變遷照預期進展，人類可能還有2、30年研發出全新的材料，例如能夠快速而低成本地捕捉二氧化碳的分子，以及能夠儲存全球再生能源供給的電池，但不以鋰製成，因為鋰的成本高又不易開採。

但如果情況比預期的更嚴重，又該怎麼辦？新型材料的需求會從迫切進展到非常緊急，再到攸關生死存亡。我們能迅速研發出必要的新型材料嗎？

在2010年曾入選《麻省理工科技評論》30名35歲以下創新家名單的朱吉克，大半輩子都在思考類似的問題。材料發現（Materials Discovery）是一門研發實用新型物質的科學，發展速度往往慢如牛步。一般的情況下，科學家研發出新分子後，逐一測試是否符合預期特性，這樣的摸索過程平均要費時20年，成本與風險過高，因此多數企業不願意投入。

跟愈來愈多具備電腦專業的化學家一樣，朱吉克希望將摸索期縮短到幾個月或幾年，讓人類能迅速累積打擊氣候變遷的資源，例如電池與碳捕捉過濾器。最終目標是重振了無生氣的材料產業，將數位模擬、機器人學、數據科學、人工智慧，甚至是量子運算整合進材料研發的過程。

想像一下有電腦程式具備分子電子結構的精準知識，能打造出新的分子設計；機器人能夠製造並測試這些分子；軟體與機器人能夠合作，測試分子、微調設計、再次測試，直到研發出具備所需特性的材料。

理念如此，但實際執行又是另外一回事。分子的結構異常複雜，化學合成通常更像是門藝術而非科學，過程難以訴諸自動化。不過隨著如今AI人工智慧、機器人學與電腦運算的技術日新月異，材料科學的願景再度浮現生氣。

2017年，朱吉克在一場在墨西哥城舉辦的研討會擔任共同主持人，共有來自17個國家、133位科學家（包括諾貝爾獎得主）與政府官員參與，促進全球學界聚焦在這個目標。這場會議象徵著一大轉捩點，讓加速材料研發不再是值得探究的利基領域，而成為全球議題，許多與會人士視其為第一要務。會後，加拿大、印度與歐盟等陸續投資於加速材料研發的計畫。

材料研發橫跨眾多學科，目標遠大，技術難度高，但朱吉克身為化學家、軟體工程師、人工智慧先驅、量子電腦工程師、機器人學愛好者，並有多次創業的經驗，可能兼具了電腦專業與想像力，足以整合多項工具，讓材料科學的夢想成真。他鼓吹為化學領域注入新的活水，逐漸成為最具有公信力的代言人之一。

「朱吉克看得到大家認為不可能的願景，」多次與朱吉克合作的福坦莫大學（Fordham University）化學家史利爾（Joshua Schrier）說，他的創新精神深具感染力，改變了周遭所有人從事科學工作的方法。

對Google量子運算法團隊主管巴布許（Ryan Babbush）而言，朱吉克最明顯的性格在於他那源源不絕的創新活力，「朱吉克把時間精力都花在最新、最未知的領域，他不會專注在漸進式的發展，」巴布許說。

這樣的性格有時會適得其反，因為新型材料要研發上市耗時費力，研發過程需要高度聚焦，從商業角度來看也需要極高的耐心。但巴布許說，朱吉克熱愛重新想像材料研發的過程，提供這個領域的科學家必要的運算與自動化工具，協助他們加速研發工作。

朱吉克目前正在多倫多成立實驗室，希望借重人工智慧運算法設計新型分子，並採用機器人迅速製造與測試這些分子。這座原型實驗室旨在展示未來的材料研發過程。「我希望開創一個材料隨選即有的全新時代，讓每座實驗室都能輕易研發出新的化合物，」他說。他希望世界未來更有能力因應下一個全球危機。「這個世界的問題需要靠分子來解決，」他補充說：「但我們現在的研發能力很糟糕。」

戰疤

朱吉克說話有如機關槍，活力充沛，主題跳來跳去。我第一次造訪他位於多倫多大學的辦公室時，他秀出他收藏的墨西哥摔角頭套，有藍有綠有粉紅，上頭是古文明阿茲特克（Aztec）的圖騰，「這些頭套有助於展現人性面，」他說。「邀請諾貝爾獎得主或日立高階主管到辦公室來，討論一會兒正事後，休息時可以請他們選個頭套自拍，」看到這些收藏，很難不把頭套看作他多元人生的縮影。

朱吉克從小在一半天主教、一半猶太教的家庭中長大，家庭成員有作家、有音樂家、有建築師。19歲時，他正在墨西哥國立自治大學（National Autonomous University of Mexico）就讀化學系，有天半夜狂歡完，從奎納瓦卡市（Cuernavaca）搭車回家的路上，車子突然打滑，往路邊撞去。送醫後，醫生不得不開刀修復他的腸子，燒灼破裂的血管，最後他的肚子留下一條彷彿中線的疤痕。

年紀輕輕就在鬼門關走過一回，讓朱吉克下定決心要過著追求知識、敢於冒險的人生，但凡是他有興趣的領域，他都會積極嘗試，就算這個領域太過深奧或非他的專業也在所不惜。

當時，科學界認為有可能使用電腦模型設計分子讓分子具備所需特性。大家都躍躍欲試，認為這樣就可避免緩慢且無趣的實驗過程，開創一個虛擬化學的新時代，成為科學家們的討論焦點，只是最後因為電腦運算太慢、分子太複雜而無疾而終。

有天朱吉克在大學圖書館瀏覽期刊時，偶然看到一篇論文提到，在電腦進行分子化學會面臨諸多挑戰。1926年，物理學家薛丁格（Erwin Schrödinger）提出一個方程式，能夠預測次原子粒子（如電子和質子）的行為。如果能建立次原子粒子的數學模型，就能推斷生成的材料，它如何跟其他材料結合、它是硬是軟、它的分解速度快慢。概念如此，但大多數材料如果拿薛丁格的方程式計算，會太過複雜，即使是目前最大型的超級電腦也難以招架。

為了讓運算更可行，朱吉克擬定出不同版本的方程式，所需的近似值更少，因此更加精準。這項計畫後來成為他在加州大學柏克萊分校攻讀博士班的研究重點，目的在於將計算過程精簡到一定程度，讓電腦能夠處理，又不會簡化到模型失去科學效用。研究人員如果採用朱吉克的運算法，可以模擬一個隨機的分子，立即預測出所得物質的特性。

其他科學家也設計過類似的運算法，但朱吉克在研究所時期設計出的運算法有目共睹，讀完博士班後便在哈佛大學找到教職。在哈佛擔任助理教授的時候，朱吉克同時帶領一個40人研究團隊，成員有資訊工程專家、生物學家、工程師、物理學家與化學家，全心投入「哈佛乾淨能源計畫」（Harvard Clean Energy Project）。多數太陽能板採用矽將陽光轉化成電力，但有沒有成本低又容易生產的有機物質能做到這點？接下來6年，朱吉克和研究團隊模擬了230萬種有機分子，想知道哪些具有太陽能光電特性。

其實朱吉克並非從事虛擬化學的第一人，但他的實驗規模卻是創舉。當時運算能力逐漸增加，因此模擬單一分子只需要幾分鐘時間，跟1990年代動輒好幾天的模擬時間不可同日而語。最重要的是，朱吉克能動用到的伺服器空間似乎無止無盡，大多數空間都是從其他人的設備所借來。他的系統類似於從前的「SETI@Home計畫」（譯註：搜尋外星智慧生物的運算資源共享計畫），支持這項計畫的民眾可以下載螢幕保護程式，藉此暫時將硬碟空間借給朱吉克和他的研究團隊。「我們擁有全世界最大的超級電腦之一，」他說：「只是電腦散布全球各個角落。」

朱吉克最終發現許多有機材料，理論上都可以製成太陽能電池，但問題是，這些看似有勝算的分子過於複雜，製造成本不低。「是我的錯，」他說：「我應該一開始先諮詢有機化學家，找出哪些分子容易製造。」

推動乾淨能源計畫時，朱吉克基本上是在電腦、而非在實驗室進行組合化學，亦即已經跳脫傳統的嘗試錯誤法。到了2012年，多倫多與其他地方的研究人員在深度學習與其他機器學習法有了許多重大突破。跟許多尋找新型材料的化學家一樣，朱吉克把重點轉向人工智慧，讓發現分子的過程更快速、更聚焦。「電腦模擬好比是機關槍，在空中隨機掃射，希望能打中目標，」他說：「人工智慧像是狙擊手，先選好目標再瞄準。」

他首先必須訓練神經網絡，輸入大量數據，裡頭有10萬個有機物質的分子組成與化學特性。人工智慧程式辨識出模式，也就是某一分子和形成物質的相關性，再用這個知識發明出候選分子，在實驗室進行合成與測試。拜人工智慧之賜，朱吉克發現新的有機發光二極體（OLED），亮度高出傳統LED。他還發現幾個新的化學物質，可以用於未來的有機液流電池（Organic Flow Battery），這種大型工業級電池無須用到鋰這類金屬。

朱吉克也開始鑽研處於萌芽階段的量子運算領域。薛丁格方程式不容易在傳統電腦中運算，正是因為電子與質子不適用古典物理學，而是遵守量子力學，可能糾纏在一起（即使不相關也出現一致的行為），也可能呈現所謂的「疊加狀態」（同時出現多種相反的狀態）。想模擬這些複雜的現象，也需要極為複雜的運算法，但由於量子電腦的量子位元也遵守量子力學，因此理論上量子電腦更適合用來模擬分子。

但如何實際做到模擬，還有待摸索。2014年，朱吉克與研究團隊提出變分量子本求解（Variational Quantum Eigensolver；VQE）程式，能夠模擬分子，但用的是規模小又容易出錯的現有量子設備，而非全功能量子電腦。薛丁格方程式以數學算式抽象描述次原子粒子，反觀VQE演算法則使用量子位元模擬粒子在分子中的行為，就跟演員重演蓋茨堡之役（Battle of Gettysburg）一樣。

未來隨著各家企業研發出效能更高的量子電腦，化學家透過VQE演算法將可進行高度精準的模擬，可能精準到連合成和測試材料的程序都免了，「真的到了那一天，」朱吉克說：「我在材料科學的研究就功德圓滿了。」

2016年，朱吉克的事業蒸蒸日上，但在總統大選一星期後，他開始寫信給澳洲與加拿大的同事，詢問工作機會。

多倫多大學提供他一個聲望卓著的職位，由政府資助。該職位旨在吸引頂級研究人員到加拿大發展，也是與向量人工智慧研究所（Vector Institute for Artificial Intelligence）的交叉任職，後者是一家由機器學習先驅辛頓（Geoffrey Hinton）共同創立的非營利機構，迅速帶動多倫多成為全球的人工智慧重鎮。但對朱吉克來說，最大的誘因是可以實現多年來的夢想，打造一個跳脫常規的新型材料實驗室，稱為「物質實驗室」（Matter Lab）。

「管它去死」

「在物質實驗室裡，我們解決1個難題前，只提出3個問題，」朱吉克說：「它對這個世界重要嗎？如果沒有，管它去死。它是不是已經有人研究了？如果有，就沒必要研究。它有一丁點被研發出來的機率嗎？」這個「一丁點」是關鍵，朱吉克希望解決介乎可行和不可行的挑戰，「如果研發某種材料太簡單，就讓其他人去做，」他說。

實驗室位於多倫多市區的一座戰後磚造建築，跟多倫多大學的其他實驗室都不一樣。天花板架有暗紅和酒紅色的吸音板，希望向備受喜愛的墨西哥建築師巴拉岡（Luis Barragán）致敬。不起眼的一個角落有個傳統實驗室工作台，排煙櫃下擺放了燒瓶、磅秤、燒杯等等工具，研究生可以在這區從事化學研究，方法跟祖父母那一代的人大同小異。感覺得出來，這個工作台很少人用。

座落在實驗室中央的是一台造價150萬美元的機器人，外殼以玻璃和金屬製成，填充氮氣，裝有一個機械手臂，會沿著軌道來回移動。機器側邊有許多裝有粉末和液體的罐子，機械手臂挑選完，精準地放置在眾多反應器之一。「這個機器人就像從不喊累的實驗室助理，每天24小時都在混合化學物質，」朱吉克說，短短12小時就能製造出40種化合物。

物質實驗室還有2個特性，讓它更具濃厚的實驗性質。第一個是朱吉克與合作伙伴所研發的軟體，稱為ChemOS，內容包括一套能夠製造候選分子的人工智慧系統，以及能與機器人溝通的程式，可以指示機器人合成候選分子。

第二個特色是製造過程呈現「封閉循環」的狀態。朱吉克指向機器人後頭的一對細軟管，向我說明流程。「這是尿尿流出來的地方，」他說。一旦反應作用結束後，液體會從這對塑膠軟管流到分析機器，機器大小有如迷你冰箱，分離出不要的副產品。精製過的材料流入另一個機器人，進行測試，了解其特性，再由機器人將試驗結果回饋給ChemOS程式，讓人工智慧更新數據，立即產生一批更好的候選分子。如此不斷預測、合成、測試，直到得出最適合的分子。

拜朱吉克不斷推廣之賜，材料研發過程採取自動化與封閉循環的概念日益生根，受到新一代化學家的認同。溫哥華、紐約、香檳厄巴納（ChampaignUrbana）與格拉斯哥等城市的研究人員陸續建造類似的實驗室，做為多用途且自動化的分子研發空間。正因如此，朱吉克不願多談物質實驗室的下一個計畫，相關決定取決於團隊所好奇的領域，或可能取決於全球危機有何待解問題。

留下印記

2020年，朱吉克在疫情初期變胖，早年的手術傷口裂開。他困在家中開Zoom視訊會議，又沒辦法在實驗室隨意遊蕩，讓他覺得又無聊又無奈。之前因為工作繁忙，沒有時間從事一些看似漫無目的、卻有助於催生出創意的事情。朱吉克需要做點改變。

幾個月後，他開始在電腦塗鴉，畫出類似霍金斯（Screamin, Jay Hawkins）的摔角頭套，後者是搖滾樂的先驅，以歌劇家的聲線和古怪的舞台動作聞名。朱吉克以西班牙文的巫師為靈感，將這個角色命名為「布魯荷」（Bruho），決定把作品展現在城市景觀。他買了一台貼紙列印機，把布魯荷到處貼在信箱和街燈上。沒多久，他成為多倫多街景藝術圈的一員。

現在朱吉克有2個中期目標，第一是設計出模組化又平價的封閉循環系統，讓全球各地的科學家當成模型。他希望打造一個多功能的實驗室箱，其中包含ChemOS套裝軟體，以及合成與特性分析機器人。有了這項設備，使用者可以輸入某個材料的描述，系統會立刻模擬和測試候選分子。朱吉克推論，如果要開創一個材料隨選即用的新紀元，這項技術必須普及化，也要使用方便。

而他的第二個中期目標，是在多倫多藝術圈闖出名號。

拜訪實驗室後幾天，作者晚上跟著朱吉克和團隊到處貼貼紙和海報。跟他的材料研究工作一樣，藝術夜遊也需要團隊合作。成員共有8個人：外號「肥皂鬼魂」的年輕女子，她態度冷淡，刺了滿手臂的刺青；外號「忍者」的中年男子，他身材精瘦，拉著手推車來到現場，裡頭有一桶小麥糊，是他自製的液體黏和劑；外號「人生」的男子，他的態度冷峻，長期患有失眠症，頭髮中分，有一半染成金色，就跟庫伊拉（Cruella de Vil）的髮型一樣。「我會創作到天亮，」朱吉克誇下豪語。每個人手上拿著幾捆貼紙和海報，都是自己的創作結晶。

這種街頭藝術不需要噴漆就能完成，但在多倫多被抓到會被罰款（只是警方通常睜一隻眼閉一隻眼），因此我們得暗著來，動作很快。忍者帶著大家走進小巷，來到一棟釘滿夾板的建築，整面牆光禿禿的。所有人拿著刷子，在牆面狂刷小麥糊，再貼上各式各樣的圖像，有留鬍子的佛祖、有彈烏克麗麗的老鼠、有穿著彷彿絕地武士的「布魯荷」。這樣的藝術大雜燴看上去沒什麼，卻散發一種無政府主義的美感。一瞬間，牆面不再空蕩蕩，取而代之的是多元紛陳，朱吉克看了很激動，「這片牆一分鐘前還是空白的，」他說：「你看看現在的成果。」