Laborator robotic cu inteligență artificială pentru descoperirea unor noi acoperiri rezistente la căldură
Cercetătorii au dezvoltat un laborator autonom care combină inteligența artificială și robotica pentru a automatiza sarcini precum măsurarea și amestecarea precisă a ingredientelor chimice, procesarea la temperaturi înalte în cuptor și recuperarea probelor. Sistemul, realizat de echipa Centrului de Excelență în Acoperiri și Ingineria Suprafețelor (CE-CSE) de la Universitatea din Nottingham, ar putea sprijini descoperirea și optimizarea materialelor avansate pentru aplicații în domeniul aerospațial, energetic și al ingineriei la temperaturi ridicate.
Dezvoltarea de materiale noi pentru medii extreme implică în mod tradițional experimente repetate: cercetătorii pregătesc probele, le procesează și le testează proprietățile, într-un proces consumator de timp și cu numeroși pași individuali. Echipa din Nottingham a reunit aceste operațiuni într-un sistem automatizat coordonat, în care două brațe robotice, un instrument special conceput pentru dozarea lichidelor, echipamente de laborator și un software dedicat lucrează împreună.
Laboratorul este ghidat și de o abordare bazată pe inteligență artificială cunoscută drept „învățare activă”, care folosește informațiile din experimentele anterioare pentru a identifica ce compoziții de material merită investigate în continuare. Prin această metodă, cercetătorii au identificat și pregătit mai multe materiale candidate cu o structură cristalină particulară, numită „piroclor”, pentru a fi studiate ca potențiale materiale de acoperire barieră termică. Rezultatele au fost publicate în Engineering Applications of Artificial Intelligence și într-un working paper pe ChemRxiv.
Acoperirile barieră termică funcționează ca scuturi de protecție împotriva căldurii, reducând cantitatea de căldură care ajunge la componentele de sub ele. Ele sunt importante în aplicațiile aerospațiale, unde piesele motoarelor sunt expuse la temperaturi intense și la condiții de operare solicitante. Descoperirea unor materiale cu conductivitate termică scăzută, care transferă mai puțin ușor căldura, este un pas important spre acoperiri mai eficiente.
Deși roboții sunt tot mai des utilizați în laboratoare pentru automatizarea sarcinilor repetitive, conectarea pregătirii chimice, a manipulării probelor și a procesării la temperaturi înalte într-un singur flux de lucru fiabil ridică provocări tehnice semnificative. Echipa de cercetare a abordat aceste provocări integrând diferitele etape într-un singur sistem. Experimente de calibrare au demonstrat o dozare precisă a lichidelor pentru diferite fluide, iar apoi echipa a arătat că laboratorul poate pregăti automat o soluție precursor, poate transfera materialul pentru procesarea în cuptor, poate gestiona răcirea controlată și poate recupera proba procesată.
„Laboratoarele autonome au potențialul de a schimba modul în care sunt dezvoltate materialele avansate. O provocare-cheie este să permitem roboților de laborator să lucreze în mod fiabil în diferite etape ale unui experiment, în special atunci când manipularea lichidelor trebuie combinată cu procesarea la temperaturi înalte. Munca noastră abordează o parte importantă a acestei provocări și creează oportunități pentru o integrare suplimentară cu planificarea și optimizarea inteligentă a experimentelor”, a declarat Tanvir Hussain, profesor de acoperiri și inginerie a suprafețelor în cadrul Facultății de Inginerie.
„Obiectivul nostru a fost să conectăm operațiuni de laborator care sunt adesea realizate separat într-un singur flux de lucru robotic coordonat. Prin integrarea dozării lichidelor, a manipulării robotice și a procesării la temperaturi înalte, am demonstrat cum pregătirea complexă a materialelor poate fi automatizată de la început până la sfârșit. Aceasta oferă o bază importantă pentru o cercetare a materialelor mai autonomă și mai reproductibilă”, a declarat dr. Mohammadreza Lalegani Dezaki, cercetător în inginerie mecanică și de fabricație la Universitatea din Nottingham.
Cercetarea demonstrează o abordare practică de integrare a roboticii, a echipamentelor de laborator și a descoperirii materialelor ghidate de inteligența artificială. Prin reducerea nevoii de intervenție manuală în operațiunile repetitive de laborator, platforma ar putea îmbunătăți consistența experimentală, ar putea sprijini cercetarea reproductibilă și ar putea oferi o bază pentru dezvoltarea materialelor la un ritm mai ridicat.
