Nanogenombrott: NCSU-teknik använder AI för att påskynda kvantprickproduktion
Publiceringsdatum:RALEIGH – En ny teknik, som kallas Artificial Chemist 2.0, låter användare gå från att begära en anpassad kvantprick till att slutföra relevant FoU och påbörja tillverkningen på mindre än en timme.
Tekniken är helt autonom och använder artificiell intelligens (AI) och automatiserade robotsystem för att utföra kemisk syntes och analys i flera steg.
Quantum dots är kolloidala halvledarnanokristaller, som används i applikationer som LED-skärmar och solceller.
"När vi rullade ut den första versionen av Artificial Chemist var det ett proof of concept", säger Milad Abolhasani, motsvarande författare till en artikel om arbetet och biträdande professor i kemi- och biomolekylär teknik vid North Carolina State University. "Artificial Chemist 2.0 är industriellt relevant för både FoU och tillverkning."
Ur användarsynpunkt består hela processen i huvudsak av tre steg.
Först berättar en användare för Artificial Chemist 2.0 parametrarna för de önskade kvantprickarna. Till exempel, vilken färg ljus vill du producera?
Det andra steget är i själva verket FoU-steget, där Artificial Chemist 2.0 självständigt genomför en serie snabba experiment, vilket gör att den kan identifiera det optimala materialet och det mest effektiva sättet att producera det materialet.
För det tredje växlar systemet över till att tillverka den önskade mängden av materialet.
ROBOT KÖR AKTIVA LÄRANDEEXPERIMENT
"Kvantprickar kan delas upp i olika klasser", säger Abolhasani. "Till exempel väl studerade II-VI, IV-VI och III-V-material, eller de nyligen framväxande metallhalogenidperovskiterna och så vidare. I grund och botten består varje klass av en rad material som har liknande kemi.
"Och första gången du ställer in Artificial Chemist 2.0 för att producera kvantprickar i en given klass, kör roboten självständigt en uppsättning aktiva lärandeexperiment. Det är så hjärnan i robotsystemet lär sig materialkemin”, säger Abolhasani.
"Beroende på materialklassen kan detta inlärningsskede ta mellan en och 10 timmar. Efter den aktiva inlärningsperioden en gång, kan Artificial Chemist 2.0 identifiera den bästa möjliga formuleringen för att producera de önskade kvantprickarna från 20 miljoner möjliga kombinationer med flera tillverkningssteg på 40 minuter eller mindre."
Forskarna noterar att FoU-processen nästan säkert kommer att bli snabbare varje gång människor använder den, eftersom AI-algoritmen som kör systemet kommer att lära sig mer – och bli mer effektiv – med varje material som den ombeds identifiera.
Artificial Chemist 2.0 innehåller två kemiska reaktorer, som arbetar i en serie. Systemet är designat för att vara helt autonomt och tillåter användare att byta från ett material till ett annat utan att behöva stänga av systemet.
"För att göra detta framgångsrikt var vi tvungna att konstruera ett system som inte lämnar några kemiska rester i reaktorerna och gör det möjligt för det AI-styrda robotsystemet att lägga till rätt ingredienser, vid rätt tidpunkt, när som helst i flerstegsmaterialet produktionsprocess”, säger Abolhasani. "Så det var vad vi gjorde.
"Vi är exalterade över vad detta betyder för specialkemiindustrin. Det accelererar verkligen forskning och utveckling till att förvränga hastigheten, men det kan också göra kilogram per dag av högvärdiga, exakt konstruerade kvantprickar. Det är industriellt relevanta mängder material."
Pappret, "Självdriven kvantpunktssyntes i flera steg aktiverad av autonoma robotexperiment i flöde," visas öppen tillgång i tidskriften Advanced Intelligent Systems. Medförfattarna till uppsatsen är Kameel Abdel-Latif och Robert W. Epps, som är Ph.D. studenter vid NC State. Uppsatsen var medförfattare av Fazel Bateni och Suyong Han, som är Ph.D. studenter vid NC State, och av Kristofer G. Reyes, en biträdande professor vid universitetet i Buffalo.
Arbetet utfördes med stöd från National Science Foundation, under anslagsnummer 1940959, och från ett anslag från UNC Research Opportunities Initiative (UNC-ROI).
Ursprunglig källa: WRAL TechWire