Numerous challenges in science and engineering can be framed as optimization tasks, including the maximization of reaction yields, the optimization of molecular and materials properties, and the fine-tuning of automated hardware protocols. Design of experiment and optimization algorithms are often adopted to solve these tasks efficiently. Increasingly, these experiment planning strategies are coupled with automated hardware to enable autonomous experimental platforms. The vast majority of the strategies used, however, do not consider robustness against the variability of experiment and process conditions. In fact, it is generally assumed that these parameters are exact and reproducible. Yet some experiments may have considerable noise associated with some of their conditions, and process parameters optimized under precise control may be applied in the future under variable operating conditions. In either scenario, the optimal solutions found might not be robust against input variability, affecting the reproducibility of results and returning suboptimal performance in practice. Here, we introduce Golem, an algorithm that is agnostic to the choice of experiment planning strategy and that enables robust experiment and process optimization. Golem identifies optimal solutions that are robust to input uncertainty, thus ensuring the reproducible performance of optimized experimental protocols and processes. It can be used to analyze the robustness of past experiments, or to guide experiment planning algorithms toward robust solutions on the fly. We assess the performance and domain of applicability of Golem through extensive benchmark studies and demonstrate its practical relevance by optimizing an analytical chemistry protocol under the presence of significant noise in its experimental conditions.


翻译:科学和工程方面的众多挑战可被设计为优化任务,包括最大限度地提高反应产量、优化分子和材料特性,以及微调自动化硬件协议。设计实验和优化算法往往被采用,以便高效率地完成这些任务。这些实验规划战略日益与自动化硬件相结合,以建立自主实验平台。然而,所使用的绝大多数战略并不认为在实验和工艺条件的变异方面具有强健性。事实上,一般认为这些参数是准确和可复制的。但有些实验可能具有与其某些条件相关的相当的噪音,而在精确控制下优化的流程参数可能在未来的操作条件下应用。在这两种情况下,所发现的最佳解决方案可能无法对投入的变异性产生强有力的影响,影响结果的再生,并恢复实际的亚优异性业绩。在这里,我们介绍Golem这一算法对于实验规划战略的选择是不可分辨的,并且能够进行稳健的实验和流程优化。Golem确定最优化的解决方案对于投入不确定性是稳健的,从而确保优化的实验协议和流程的适切性性性,因此,我们可以通过过去的实验性实验性实验性实验性模型来评估其广泛的绩效。

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