Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Βόρειας Καρολίνας παρουσίασαν το Rainbow, ένα πρωτοποριακό αυτόνομο εργαστήριο με πολλαπλά ρομπότ που ανακαλύπτει κβαντικά σημεία υψηλής απόδοσης — νανοσωματίδια ημιαγωγών που είναι ζωτικής σημασίας για τις οθόνες νέας γενιάς, τα φωτοβολταϊκά, τα LED και τις τεχνολογίες κβαντικής μηχανικής.
Συνδυάζοντας προηγμένη ρομποτική με τεχνητή νοημοσύνη, το Rainbow μπορεί να διεξάγει και να αναλύει έως και 1.000 πειράματα την ημέρα χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση, επιταχύνοντας δραματικά τον ρυθμό ανακάλυψης νέων υλικών. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications.
Πώς λειτουργεί το Rainbow
«Το Rainbow συγκεντρώνει πολλαπλά ρομπότ που συνεργάζονται για να εξερευνήσουν και να βελτιστοποιήσουν αυτόνομα πολύπλοκες χημικές αντιδράσεις με εξαιρετική αποτελεσματικότητα», λέει ο Milad Abolhasani, συντάκτης της εργασίας σχετικά με το έργο και καθηγητής Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής στο NC State.
«Τα ρομπότ του Rainbow προετοιμάζουν αυτόματα χημικούς προδρόμους, τους αναμιγνύουν και εκτελούν πολλαπλές αντιδράσεις παράλληλα χρησιμοποιώντας μικροσκοπικούς αντιδραστήρες παρτίδας — έως και 96 αντιδράσεις ταυτόχρονα. Στη συνέχεια, το σύστημα μεταφέρει αυτόματα όλα τα προϊόντα της αντίδρασης σε ένα ρομπότ χαρακτηρισμού, το οποίο αναλύει τα αποτελέσματα. Από την αρχή έως το τέλος, κάθε βήμα είναι πλήρως αυτοματοποιημένο και συντονίζεται έξυπνα».
Για να χρησιμοποιήσουν το Rainbow, οι χρήστες αρχίζουν καθορίζοντας μια ιδιότητα του υλικού-στόχου, όπως το μήκος κύματος εκπομπής ή το ενεργειακό χάσμα. Οι χρήστες δίνουν επίσης στο Rainbow ένα πειραματικό «προϋπολογισμό», καθορίζοντας τον αριθμό των πειραμάτων που πρέπει να πραγματοποιήσει πριν σταματήσει.
Από εκεί, το Rainbow σχεδιάζει, εκτελεί και αναλύει κάθε πείραμα, χρησιμοποιώντας οπτικό χαρακτηρισμό σε πραγματικό χρόνο και μηχανική μάθηση για να αποφασίσει τι θα δοκιμάσει στη συνέχεια στην αναζήτησή του για τον ιδανικό νανοκρυστάλλινο. Με άλλα λόγια, θα καθορίσει αυτόνομα ποια συνταγή σύνθεσης κβαντικών κουκκίδων θα μετατρέψει πιο αποτελεσματικά την εισερχόμενη ενέργεια στην επιθυμητή εξερχόμενη ενέργεια.
«Το Rainbow δεν κοιμάται ποτέ. Λειτουργεί όλο το 24ωρο και εκτελεί σε λίγες μέρες εργασίες που θα χρειαζόταν χρόνια για να ολοκληρωθούν από τους ερευνητές», τονίζει ο Abolhasani. «Ωστόσο, δεν έχει σχεδιαστεί για να αντικαταστήσει τους επιστήμονες, αλλά για να τους ενισχύσει, αναλαμβάνοντας τις κουραστικές και χρονοβόρες εργασίες της έρευνας, ώστε να μπορούν να επικεντρωθούν στο σχεδιασμό και την καινοτομία».
Το Rainbow βοηθάει τους επιστήμονες, δεν τους αντικαταστεί
Ο Abolhasani είναι ηγέτης στις τεχνολογίες αυτοκινούμενων εργαστηρίων, αλλά τα ρομποτικά στοιχεία του Rainbow το κάνουν να διαφέρει σημαντικά από το προηγούμενο έργο του. Χρησιμοποιώντας ρομπότ για τη διεξαγωγή πειραμάτων σε διαφορετικούς αντιδραστήρες, το Rainbow επιτρέπει στους ερευνητές να διεξάγουν πειράματα χρησιμοποιώντας ένα ευρύτερο φάσμα χημικών προδρόμων.
«Επειδή δεν περιοριζόμαστε σε ένα σταθερό σύνολο προδρόμων, υπάρχει ένα ευρύτερο φάσμα πιθανών αποτελεσμάτων όσον αφορά το υλικό από το οποίο θα κατασκευαστεί το κβαντικό σημείο υψηλότερης ποιότητας», λέει ο Abolhasani. «Επιπλέον, το Rainbow μας επιτρέπει να εξερευνήσουμε διάφορες δομές προσδέτη στην επιφάνεια αυτών των νανοκρυστάλλων, οι οποίες μπορούν να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στον έλεγχο των ιδιοτήτων αυτών των κβαντικών σημείων.
«Με το Rainbow, έχουμε δημιουργήσει ένα σύστημα που όχι μόνο βρίσκει τα καλύτερα κβαντικά σημεία γρηγορότερα από ποτέ, αλλά μας λέει και γιατί λειτουργούν. Αυτή είναι η δύναμη του συνδυασμού της ρομποτικής, της τεχνητής νοημοσύνης και της χημείας σε μια ενιαία, έξυπνη εργαστηριακή πλατφόρμα» συμπλήρωσε.
Και μόλις το Rainbow εντοπίσει την καλύτερη συνταγή για την παραγωγή ενός επιθυμητού κβαντικού σημείου, το σύστημα μπορεί στη συνέχεια να μετατραπεί από τη λειτουργία μικρής κλίμακας αντιδραστήρων παρτίδας για ερευνητικούς σκοπούς στη λειτουργία αντιδραστήρων μεγάλης κλίμακας για την κατασκευή.
«Το Rainbow κάνει την κλιμάκωση μια ομαλή μετάβαση», λέει ο Abolhasani.