Wetenschap
Er ontstaan slimme laboratoria voor op maat gemaakte synthese van nanomaterialen
Aan het begin van de 20e eeuw duurde de ontwikkeling van een katalysator voor ammoniaksynthese volgens de Haber-Bosch-methode meer dan 10.000 experimenten voordat deze succesvol was. De ontwikkeling van nieuwe materialen is een tijdrovend en kostbaar proces, van ontwerp tot commercialisering.
De afgelopen jaren hebben onderzoekers echter gewerkt aan het verkorten van de ontwikkelingsperiode door gebruik te maken van kunstmatige intelligentie (AI). In combinatie met robots is het mogelijk om 24 uur per dag, 365 dagen per jaar materiaalontwikkelingsonderzoek te doen zonder menselijke tussenkomst.
Dr. Sang Soo, Han en Dr. Donghun, Kim van het Computational Science Research Center en professor Kwan-Young Lee van de afdeling Chemische Technologie en Biotechnologie aan de Korea University hebben een op maat gemaakt syntheseplatform van nanomaterialen ontwikkeld met behulp van AI en robotica, genaamd Smart Laboratorium.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials .
Het gezamenlijke onderzoeksteam van het Korea Institute of Science and Technology (KIST) en de Korea University ontwikkelde eerst een geautomatiseerd apparaat dat nanodeeltjes synthetiseert op basis van een robotarm en de optische eigenschappen van de gesynthetiseerde nanodeeltjes meet. Door AI-technologie hiermee te combineren, is een slim laboratorium voor op maat gemaakte synthese van nanomaterialen ontwikkeld, waarmee onderzoekers eenvoudig nanomaterialen kunnen synthetiseren die aan hun eisen voldoen, simpelweg door de gewenste materiaaleigenschappen in te voeren.
De AI-technologie die op het Smart Lab-platform wordt toegepast, combineert een Bayesiaanse optimalisatiemethode met de early-stop-technologie om de efficiëntie van materiaalontdekking met meer dan 500 keer te verhogen in vergelijking met eenvoudige geautomatiseerde apparaten.
Bij menselijke experimenten is het vaak moeilijk om reproduceerbare resultaten te verkrijgen, omdat de resultaten zeer gevoelig afhankelijk zijn van de onderzoeksomgeving en de vaardigheid van onderzoekers; het ontwikkelde slimme laboratorium heeft echter het voordeel dat het consistente gegevens van hoge kwaliteit in grote hoeveelheden produceert.
De onderzoekers ontwikkelden ook een AI-technologie om de veiligheid van slimme laboratoria te garanderen. Hoewel er geen risico bestaat op letsel voor onderzoekers in onbemande smart labs, is het lastig om veiligheidsongevallen zoals storingen als gevolg van overbelasting van de robot te voorkomen.
De onderzoekers ontwikkelden een AI-visietechnologie (DenseSSD) om dergelijke veiligheidsongevallen vooraf te detecteren en te voorkomen en installeerden deze in het smart lab. DenseSSD detecteert in het laboratorium diverse objecten, waaronder onderzoeksapparatuur en materialen, en waarschuwt gebruikers bij eventuele afwijkingen zodat zij passende maatregelen kunnen nemen.
"Het slimme laboratoriumplatform, dat materiaalontwikkeling mogelijk maakt zonder menselijke tussenkomst, zal een nieuw R&D-paradigma zijn dat het probleem van de afnemende onderzoeksmankracht als gevolg van veroudering kan oplossen", aldus Dr. Sang Soo, Han van KIST.
"In de toekomst zijn we van plan interactieve taalmodellen zoals ChatGPT te integreren om het voor niet-experts gemakkelijker te maken om het slimme laboratorium te gebruiken", aldus Dr. Donghun, Kim. Het onderzoeksteam is van plan het Smart Lab-platform uit te breiden naar verschillende materiaalgebieden, zoals katalysatoren, batterijen en displays.