Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Het achteraf inbouwen van robotica verhoogt de efficiëntie van neutronenexperimenten

ORNL-onderzoeker Felicia Gilliland laadt experimentmonsters in positie voor de nieuw geïnstalleerde UR5E-robotarm op het BIO-SANS-instrument. De robot van industriële kwaliteit wisselt de monsters automatisch, waardoor de behoefte aan menselijke hulp wordt verminderd en de monsterdoorvoer wordt verbeterd. Credit:Jeremy Rumsey/ORNL, Amerikaanse ministerie van Energie

Robots brachten een revolutie teweeg in de maakindustrie door de assemblagelijnen te automatiseren. Nu worden ze steeds vaker gebruikt om het tempo van wetenschappelijke ontdekkingen te versnellen.



Instrumenten voor neutronenverstrooiing zijn als gigantische, krachtige microscopen die neutronenbundels gebruiken om materialen op atomaire schaal te bestuderen. Het BIO-SANS-instrument, dat zich in de High Flux Isotope Reactor (HFIR) van het Oak Ridge National Laboratory bevindt, is het nieuwste instrument voor neutronenverstrooiing dat achteraf is uitgerust met de modernste robotica en aangepaste software.

De geavanceerde upgrade verviervoudigt het aantal monsters dat het instrument automatisch kan meten en vermindert de behoefte aan menselijke hulp aanzienlijk. BIO-SANS is gespecialiseerd in het bestuderen van het gedrag, de vorm en de grootte van complexe biologische materialen.

"Het is een opmerkelijke stap voorwaarts in mogelijkheden. Het vermogen om meer monsters te analyseren betekent dat we betere resultaten zullen behalen", aldus ORNL-groepsleider Mark Loguillo. "Niet alleen dat, maar automatisering biedt ons ook een beter tijdmanagement, waardoor we in een experiment meer metingen kunnen doen dan voorheen."

Op BIO-SANS is de UR5E Universal Robot geïnstalleerd, een lichtgewicht mechanische arm uitgerust met vijf zeer scharnierende gewrichten. De robot is aan het plafond bevestigd in een aluminium frame dat een platform bevat voor het opslaan van experimentele monsters. Grijpers die aan het uiteinde van de arm zijn bevestigd, werken als vingers die monsters pakken:poeders of vloeibare oplossingen die zijn opgeslagen in kleine metalen bussen van een paar kubieke centimeter groot.

Met een nieuwe robotupgrade meet BIO-SANS nu monsters efficiënter. De robot wisselt automatisch van monster, waardoor er minder menselijke hulp nodig is.

De robot verplaatst monsters van en naar een bak er direct onder en plaatst ze in een straal neutronen voor analyse. Er kunnen ongeveer 84 monsters tegelijk in de monsterbehuizing worden opgeslagen. De robot kan non-stop werken zolang de monsterbak vol is, wat een van de weinige onderdelen van het experiment is waarvoor menselijke hulp nodig is zodra het experiment begint. Onderzoekers kunnen hun gegevens verzamelen en hun experiment volgen vanuit hun kantoor of thuis.

“Toen de COVID-19-pandemie toesloeg, wisten we dat we een manier nodig hadden om experimenten te automatiseren, zodat ze op afstand konden worden uitgevoerd”, aldus Loguillo. "We hebben een prototype-robot geïnstalleerd die duidelijk de waarde van de integratie van robotica en het potentieel ervan aantoonde, maar uiteindelijk kreeg het prototype te kampen met betrouwbaarheidsproblemen. De nieuwe robot van industriële kwaliteit is in hoge mate aanpasbaar, waardoor we verbeteringen aan de software kunnen blijven aanbrengen en mogelijkheden."

Er zijn plannen in ontwikkeling om de robot uit te rusten met kunstmatige intelligentie die de tijd die nodig is voor elk experiment zal helpen verkorten door onnodige metingen te elimineren. Op hun beurt zullen toekomstige upgrades BIO-SANS in staat stellen complexere experimenten uit te voeren en de wetenschappelijke productiviteit te verhogen.

Naast Loguillo zijn bij het project betrokken teamleden onder meer ORNL-onderzoekers Mariano Ruiz-Rodriguez en John Wenzel. Op basis van het succes van de robot is het team van plan andere instrumenten te upgraden, zoals GP-SANS bij HFIR en de MANDI-diffractometer bij de Spallation Neutron Source, oftewel SNS.

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory