Роботи-винахідники: ШІ самостійно знаходять нові матеріали

Повністю автоматизована система працює 24/7 для створення нових неорганічних матеріалів, які можуть покращити батареї, паливні елементи та надпровідники.

Уявіть собі кулінарну книгу зі 150 000 спокусливих страв, але лише кілька рецептів їх приготування. Це завдання, яке стоїть перед Національною лабораторією Лоуренса Берклі (LBNL). Він використовував комп’ютери, щоб передбачити близько 150 000 нових матеріалів, які можуть покращити такі пристрої, як електроди акумуляторів і каталізатори. Але користувачам бази даних по всьому світу вдалося зробити лише невелику частину з них для тестування, залишивши тисячі невипробуваними. 

«Синтез став вузьким місцем», — каже Гербранд Седер, матеріалознавець з LBNL.

Тепер Седер і його колеги поєднали штучний інтелект (ШІ) і робототехніку, щоб усунути це вузьке місце. Система штучного інтелекту робить найкраще припущення щодо рецепту потрібного матеріалу, а потім повторює умови реакції, поки роботи намагаються створити фізичні зразки. Нова установка, відома як A-Lab, уже синтезує приблизно в 100 разів більше нових матеріалів на день, ніж можуть впоратися люди в лабораторії. 

«Це шлях», — каже Алі Коскун, хімік з Університету Фрайбурга, який не бере участі в A-Lab, але минулого тижня відвідав засідання Товариства дослідження матеріалів, де було оголошено про новий підхід ШІ.

Робототехнічні лабораторії, керовані штучним інтелектом, стають звичним явищем серед фармацевтичних компаній, які шукають нові ліки, і навіть деяких лабораторій з наукових матеріалів. Але ці зусилля передусім використовують рідкі сполуки-попередники, які відносно легко змішувати та обробляти. 

«Набагато складніше зробити це з твердими матеріалами», — каже Коскун. Синтез цих матеріалів зазвичай вимагає змішування твердих порошків, а потім додавання різних комбінацій розчинників і експериментування з теплом, часом висихання та іншими вхідними параметрами, щоб спробувати змусити їх кристалізуватися в передбачений матеріал.

Кількість рецептів, по суті, нескінченна, каже Седер. Незважаючи на те, що комп’ютери можуть передбачити, які кінцеві сполуки повинні призвести до кращих пристроїв, «немає теорії синтезу, яка говорить нам, що можна, а що ні», — каже Крістін Перссон, яка очолює проект матеріалів LBNL і оголосила про нову A-Lab.

Попередні зусилля з автоматизації довільно змішували сполуки в пошуках нових матеріалів, каже Седер, але новий підхід, керований ШІ, більше схожий на те, як традиційні хіміки виконують свою роботу. ШІ починає з того, що винаходить правдоподібний спосіб синтезу матеріалу, використовуючи своє розуміння хімії. Він керує робототехнікою для вибору з майже 200 різних порошкоподібних вихідних матеріалів, що містять такі елементи, як літій, нікель, мідь, залізо та марганець. Після змішування прекурсорів інший робот розподіляє суміш у набір тиглів, які завантажують у печі, де їх можна змішувати з такими газами, як азот, кисень і водень. Потім ШІ визначає, як довго випікати різні суміші, температуру, час висихання тощо.

Після випікання дозатор, схожий на гумові кульки, додає кульковий підшипник до кожного тигля та струшує його, щоб подрібнити нову речовину в дрібний порошок, який завантажується на предметне скло. Потім рука робота захоплює кожен зразок і вставляє його в рентгенівський апарат або інше обладнання для аналізу. Результати повертаються в базу даних Materials Project зі структурами та властивостями матеріалів, і якщо результат не такий, як передбачалося, налаштування ШІ повторює умови реакції та починає заново.

Дослідники LBNL витратили останні кілька місяців на розробку недоліків у своїй системі та її тестування. У процесі A-Lab виготовила понад 40 цільових матеріалів — близько 70% сполук, які вона збирається виробляти.

«За останні 6 тижнів я створив більше нових сполук, ніж за всю свою кар’єру», — каже Седер.

Лабораторія штучного інтелекту LBNL може не залишитися самотньою надовго. У препринті від 3 квітня дослідники з Передового технологічного інституту Samsung повідомили, що вони також створили керовану комп’ютером робототехнічну лабораторію для пошуку нових електронних матеріалів. Результати цього звіту показують, що їх установка виконала понад 200 реакцій для отримання 35 неорганічних сполук, включаючи певні оксиди, які зазвичай використовуються в електродах акумуляторів, твердооксидних паливних елементах і надпровідниках. На кожному етапі їхніх робототехнічних експериментів «певною мірою використовується штучний інтелект», — говорить Чон-Джу Чо з Samsung.

Седер зазначає, що, попри перехід до повністю автоматизованого синтезу та аналізу, дослідники так само ймовірно, як і раніше, робити несподівані відкриття. 

«Це не відрізняється від A-Lab». За винятком того, що зараз, хіти та сюрпризи, ймовірно, прийдуть швидше.