Исследователи из Университета штата Северная Каролина представили Rainbow — первую в своём роде многофункциональную самодвижущуюся лабораторию, которая автономно открывает высокоэффективные квантовые точки — полупроводниковые наночастицы, критически важные для дисплеев нового поколения, солнечных батарей, светодиодов и квантовых инженерных технологий.
Rainbow сочетает передовую робототехнику с искусственным интеллектом и может проводить и анализировать до 1000 экспериментов в день без вмешательства человека, что значительно ускоряет темпы открытия новых материалов. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
«Rainbow объединяет нескольких роботов, работающих согласованно для автономного исследования и оптимизации сложных химических процессов с исключительной эффективностью», — говорит Милад Абольхасани, автор статьи о работе и профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Университете штата Северная Каролина.
Роботы Rainbow автоматически готовят химические прекурсоры, смешивают их и выполняют несколько реакций параллельно, используя миниатюрные реакторы периодического действия — до 96 реакций одновременно. Система затем автоматически переносит все продукты реакции к роботу-характеризатору, который анализирует результаты. От начала до конца каждый шаг полностью автоматизирован и интеллектуально скоординирован.
Чтобы использовать Rainbow, пользователи начинают с определения целевого свойства материала, такого как длина волны излучения или ширина запрещённой зоны. Пользователи также устанавливают для Rainbow экспериментальный «бюджет», указывая, сколько экспериментов она должна провести, прежде чем остановиться.
С этого момента Rainbow проектирует, проводит и анализирует каждый эксперимент, используя оптическую характеристику в реальном времени и машинное обучение, чтобы решить, что попробовать дальше в поисках идеального нанокристалла. Другими словами, она автономно определяет, какой рецепт синтеза квантовых точек наиболее эффективно преобразует входную энергию в желаемый выход.
«Rainbow не спит; она работает круглосуточно, выполняя за несколько дней то, что заняло бы у учёных-людей годы», — говорит Абольхасани. «Но она создана не для того, чтобы заменить учёных; она создана для того, чтобы расширить их возможности, взяв на себя утомительные, трудоёмкие аспекты открытий, чтобы они могли сосредоточиться на дизайне и инновациях».
Абольхасани является лидером в области технологий самодвижущихся лабораторий, но роботизированные элементы Rainbow делают её значительным отступлением от его предыдущей работы. Используя роботов для проведения экспериментов в разных реакторах, Rainbow позволяет исследователям проводить эксперименты, используя более широкий спектр химических веществ-прекурсоров.
«Поскольку мы не ограничены фиксированным набором прекурсоров, существует более широкий спектр потенциальных результатов с точки зрения того, из чего будут состоять квантовые точки высочайшего качества», — говорит Абольхасани. «Кроме того, Rainbow позволяет нам исследовать различные структуры лигандов на поверхности этих нанокристаллов, которые могут играть ключевую роль в управлении свойствами этих квантовых точек».
«С помощью Rainbow мы создали систему, которая не только находит лучшие квантовые точки быстрее, чем когда-либо прежде, но и объясняет, почему они работают», — сказал Абольхасани. «В этом сила сочетания робототехники, искусственного интеллекта и химии в единой интеллектуальной лабораторной платформе».
И как только Rainbow определит лучший рецепт для производства желаемой квантовой точки, систему можно будет преобразовать из режима работы с небольшими реакторами периодического действия для исследовательских целей в режим работы с крупными реакторами для производства.
«Rainbow обеспечивает плавный переход к масштабированию», — говорит Абольхасани.
Предоставлено Университетом штата Северная Каролина.