NCSU:n tutkijat: "Keinotekoinen kemisti" tekoälyllä nopeuttaa tutkimusta ja kehitystä sekä valmistusta
Julkaisupäivä:
"Uskon, että Artificial Chemistin mahdollistama autonomisten materiaalien tutkimus- ja kehitystyö voi muuttaa materiaalikehityksen ja -valmistuksen tulevaisuutta." – NCSU
RALEIGH – North Carolina State Universityn ja Buffalon yliopiston tutkijat ovat kehittäneet teknologian nimeltä "Artificial Chemist", joka sisältää tekoälyn (AI) ja automatisoidun järjestelmän kemiallisten reaktioiden suorittamiseksi nopeuttaakseen T&K-toimintaa ja kaupallisesti toivottavien materiaalien valmistusta.
Todistuskokeissa tutkijat osoittivat, että Artificial Chemist voi tunnistaa ja tuottaa parhaat mahdolliset kvanttipisteet mille tahansa värille 15 minuutissa tai vähemmän. Kvanttipisteet ovat kolloidisia puolijohteen nanokiteitä, joita käytetään sovelluksissa, kuten LED-näytöissä.
Tutkijat huomaavat kuitenkin nopeasti, että Artificial Chemist voi tunnistaa parhaan materiaalin, joka täyttää kaikki mitattavissa olevat ominaisuudet - ei vain kvanttipisteitä.
"Keinotekoinen kemisti on todella itsenäinen järjestelmä, joka voi navigoida älykkäästi kemiallisen universumin läpi", sanoo Milad Abolhasani, vastaavan työn kirjoittaja ja kemian ja biomolekyylitekniikan apulaisprofessori NC Statessa. ”Tällä hetkellä Artificial Chemist on suunniteltu liuoskäsiteltyille materiaaleille – eli se toimii materiaaleille, jotka voidaan valmistaa käyttämällä nestemäisiä kemiallisia esiasteita. Liuoskäsiteltyjä materiaaleja ovat arvokkaat materiaalit, kuten kvanttipisteet, metalli-/metallioksidinanohiukkaset, metalliorgaaniset kehykset (MOF) ja niin edelleen.
”Keinokemisti on samanlainen kuin itseajava auto, mutta itseajavalla autolla on ainakin rajallinen määrä reittejä, joista valita päästäkseen ennalta valittuun määränpäähänsä. Artificial Chemistin avulla annat sille joukon haluttuja parametreja, jotka ovat ominaisuuksia, jotka haluat lopullisella materiaalilla olevan. Keinotekoisen kemistin on selvitettävä kaikki muu, kuten mitä kemialliset esiasteet ovat ja mikä synteettinen reitti tulee olemaan, samalla kun minimoidaan näiden kemiallisten esiasteiden kulutus.
”Lopputuloksena on täysin autonominen materiaalikehitysteknologia, joka auttaa löytämään ihanteellisen ratkaisun käsitellyn materiaalin nopeammin kuin mikään tällä hetkellä käytössä oleva tekniikka, vaan se tekee sen käyttämällä pieniä määriä kemiallisia esiasteita. Tämä vähentää merkittävästi jätettä ja tekee materiaalikehitysprosessista paljon halvempaa."
Keinotekoisella kemistillä on sekä ”keho” kokeiden suorittamista ja kokeellisten tulosten havaitsemista varten, että ”aivot” näiden tietojen tallentamiseen ja sen käyttämiseen seuraavan kokeen määrittämiseen.
Keinotekoisen kemistin vartaloon sisältyi automaattinen testaus Nanokiteiden tehdas ja NanoRobo Abolhasanin laboratoriossa kehitetyt virtaussynteesialustat. Artificial Chemist -alusta on osoittanut, että se pystyy suorittamaan 500 kvanttipistesynteesikoetta päivässä, vaikka Abolhasani arvioi, että se voisi suorittaa jopa 1 000.
Keinokemistin aivot on tekoälyohjelma, joka luonnehtii kehon syntetisoimia materiaaleja ja käyttää näitä tietoja tehdäkseen itsenäisiä päätöksiä siitä, mitkä ovat seuraavat koeolosuhteet. Se perustaa päätöksensä siihen, minkä se määrittää tehokkaimmin siirtävän sen kohti parasta materiaalikoostumusta, jolla on halutut ominaisuudet ja suorituskykymittaukset.
"Yritimme matkia prosessia, jota ihmiset käyttävät päätöksenteossa, mutta tehokkaammin", Abolhasani sanoo.
Esimerkiksi Artificial Chemist sallii "tiedon siirron", mikä tarkoittaa, että se tallentaa jokaisesta vastaanottamastaan pyynnöstä luodut tiedot, mikä nopeuttaa seuraavan sille tehtävän ehdokasmateriaalin tunnistamisprosessia. Toisin sanoen Artificial Chemist tulee älykkäämmäksi ja nopeammaksi ajan myötä oikean materiaalin tunnistamisessa.
Käsitteen todistamiseksi tutkijat testasivat yhdeksää erilaista käytäntöä siitä, kuinka tekoäly käyttää tietoja päättääkseen, mikä on seuraava kokeilu. Sitten he suorittivat sarjan pyyntöjä ja pyysivät joka kerta Artificial Chemistiä tunnistamaan kvanttipistemateriaalin, joka sopi parhaiten kolmelle eri lähtöparametrille.
"Löysimme politiikan, joka jopa ilman ennakkotietoa pystyisi tunnistamaan parhaan mahdollisen kvanttipisteen 25 kokeessa eli noin puolentoista tunnin sisällä", Abolhasani sanoo. ”Mutta kun Artificial Chemistillä oli aiempaa tietoa – eli se oli jo käsitellyt yhden tai useamman kohdemateriaalipyynnön – se pystyi tunnistamaan optimaalisen materiaalin uusille ominaisuuksille 10–15 minuutissa.
"Huomasimme, että Artificial Chemist pystyi myös nopeasti tunnistamaan materiaalien ominaisuuksien rajat tietylle lähtökemiallisten esiasteiden sarjalle, joten kemistien ja materiaalitutkijoiden ei tarvitse tuhlata aikaansa erilaisten synteesiolosuhteiden tutkimiseen.
"Uskon, että Artificial Chemistin mahdollistama autonomisten materiaalien tutkimus- ja kehitystyö voi muuttaa materiaalikehityksen ja -valmistuksen tulevaisuutta", Abolhasani sanoo. "Etsin nyt kumppaneita auttamaan meitä siirtämään tekniikkaa laboratoriosta teollisuussektorille."
Paperi, "Keinotekoinen kemisti: Autonominen kvanttipistesynteesibotti”, julkaistaan lehdessä Edistyneet materiaalit. Ensimmäinen kirjoittaja on Robert W. Epps, Ph.D. opiskelija NC Statessa. Paperi oli mukana kirjoittamassa NC State perustutkintoa Michael S. Bowen, NC State Ph.D. opiskelijat Amanda A. Volk, Kameel Abdel-Latif ja Suyong Han; Kristofer Reyes, Buffalon yliopiston apulaisprofessori; ja Aram Amassian, materiaalitieteen ja tekniikan apulaisprofessori NC Statessa.
Työ tehtiin UNC Research Opportunities Initiative -apurahan ja National Science Foundationin tuella apurahanumerolla 1902702.
Alkuperäinen artikkelin lähde: WRAL TechWire