AIでラボの流体系を自動化する：計測結果に基づく化学合成・スクリーニング実験の自律最適化

マイクロ流体を用いたフロー合成およびマイクロリアクターでは、反応条件に加えて、反応場へ供給される試薬の混合比を高い再現性で制御できる点が大きな特長です。複数の試薬ラインを合流させるフロー化学では、各ラインの流量比がそのまま混合比となり、反応系へ導入される組成を連続的に調整する制御手段として機能します。本稿では、オンライン分析・計測（IR、UV-Vis、MS、HPLC など）によって得られる観測結果を目的関数として用い、それらをフィードバックして流量比および操作条件を自律的に更新する閉ループ型の運転手法について整理します。

想定するシステム構成は、産業／ラボ向けの高精度送液および自動切替コンポーネントを基盤とし、試薬流量比の精密制御、段階的な条件変更、反応経路や洗浄工程の切替を安定して実行できる環境です。これらのハードウェア特性は、観測結果と操作入力を正確に対応付けるために不可欠であり、AIによる最適化を成立させる前提条件である「流量比および操作条件の再現性」を支える重要な要素となります。さらに、こうした実験レベルの自律運転は、実験計画や運転条件の管理を担う上位の制御・管理・統合AIの制御下に置くことも可能であり、複数実験の統合的な運用や段階的な自動化へ拡張できる構成となります。

1. AIによる自律実験の狙い：観測結果に基づきフロー合成条件を最適化する

フロー合成では、温度や滞留時間といった操作条件に加え、試薬同士の混合比が反応速度、転化率、選択性、不純物生成に大きく影響します。特にマイクロ流体系では、複数ラインの流量比を連続変数として扱うことができるため、反応場に導入される組成を精密かつ再現性良く制御することが可能です。

本アプリケーションでは、オンライン分析によって得られる観測結果（収率、選択性、不純物比、スペクトル指標、物性値など）を目的関数とし、その結果に基づいてAIが次に試す流量比および操作条件を提案します。複数試薬ラインの流量比制御や段階的な条件変更は、AI連携対応のマイクロ流体シリンジポンプ（例：SPMポンプ）によって実現されるケースがあります。また、これらの最適化AIは、上位の管理AIから与えられる制約条件や探索方針のもとで動作させることも可能です。

  • 制御変数例：薬液ライン間の流量比、総流量、滞留時間、反応温度
  • 操作条件例：混合順序、段階的な流量変更、反応経路の切替シーケンス
  • 観測（目的関数）例：収率、転化率、選択性、不純物比、スペクトル指標、物性値

2. 標準的なシステム構成：観測結果に基づく流量比制御 × 操作条件制御 × AI意思決定

フロー合成における自律最適化の中核は、「流量比によって反応場への供給組成を制御する」「オンライン分析で反応結果を定量的に観測する」「観測結果に基づいて次の流量比および操作条件をAIが決定する」という閉ループにあります。マイクロ流体系では、高精度送液と自動切替により、流量比と条件を連続的かつ再現的に変化させることが可能であり、観測結果を直接フィードバックする探索と特に相性の良い構成となります。

反応条件の切替や洗浄工程を含むフロー合成では、AI連携対応の多方切換マイクロ流体ロータリーバルブ（例：RVMバルブ）のような自動切換バルブが、反応経路やプロセス分岐を支える要素として用いられるケースがあります。また、微小な流量比変化を扱う場合や長時間の自律運転では、送液の脈動が観測結果や学習データに影響を与えるため、低脈流の送液が重要となり、マイクロ流体用途に特化したポンプ（例：SPMポンプ）が分析安定性とAI学習の再現性を支える要素となります。これらの装置制御および最適化AIは、必要に応じて上位の管理・統合AIから統括され、実験全体の進行管理や複数条件探索の分担制御へ発展させることが可能です。

┌────────────────────────────────────┐
│        上位・管理・統合AI（任意）     │
│  ・実験計画・制約条件の管理          │
│  ・探索方針・優先度の指示            │
└────────────────▲───────────────────┘
                 │
┌────────────────┴───────────────────┐
│              AI / 最適化             │
│  ・観測結果を目的関数として評価     │
│  ・ベイズ最適化（流量比＋条件）     │
│  ・多目的最適化（収率×選択性×不純物）│
└────────────────▲───────────────────┘
                 │
┌────────────────┴───────────────────┐
│          データ取得・前処理            │
│  ・オンライン分析（IR/UV-Vis/MS等）  │
│  ・流量比ログ（混合比）              │
└────────────────▲───────────────────┘
                 │
┌────────────────┴───────────────────┐
│   制御・オーケストレーション          │
│  ・複数ライン送液（流量比制御）       │
│  ・条件切替・洗浄シーケンス           │
└────────────────▲───────────────────┘
                 │
┌────────────────┴───────────────────┐
│        マイクロ流体系コンポーネント    │
│  ・高精度ポンプ（流量比再現性）       │
│  ・多方切換バルブ（工程切替）         │
│  ・パルスレス送液（観測安定性）       │
└────────────────────────────────────┘

参考リンク（関連機器例）

参考文献

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