Μια επαναστατική προσέγγιση στην αυτοματοποίηση των εργαστηρίων αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες ανακαλύπτουν νέα υλικά. Ερευνητές στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας ανέπτυξαν ένα αυτοματοποιημένο εργαστήριο που συλλέγει τουλάχιστον 10 φορές περισσότερα δεδομένα από προηγούμενες τεχνικές, επιταχύνοντας θεαματικά τον ρυθμό ανακάλυψης υλικών.
Η καινοτομία, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Chemical Engineering, χρησιμοποιεί δυναμικά πειράματα ροής, όπου χημικά μείγματα ρέουν συνεχώς μέσα στο σύστημα και παρακολουθούνται σε πραγματικό χρόνο. Αυτό αποτελεί σημαντική απόκλιση από τις παραδοσιακές μεθόδους σταθερής κατάστασης, οι οποίες απαιτούν αναμονή για την ολοκλήρωση των αντιδράσεων πριν από την ανάλυση.
"Έχουμε πλέον δημιουργήσει ένα αυτοματοποιημένο εργαστήριο που αξιοποιεί δυναμικά πειράματα ροής, όπου τα χημικά μείγματα μεταβάλλονται συνεχώς μέσα στο σύστημα και παρακολουθούνται σε πραγματικό χρόνο", εξηγεί ο Μιλάντ Αμπολχασανί, καθηγητής Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής στο NC State και κύριος συγγραφέας της μελέτης. "Είναι σαν να μεταβαίνεις από μια μεμονωμένη φωτογραφία σε μια ολόκληρη ταινία της αντίδρασης καθώς αυτή συμβαίνει."
Το σύστημα δεν σταματά ποτέ να λειτουργεί ή να χαρακτηρίζει δείγματα, καταγράφοντας δεδομένα κάθε μισό δευτερόλεπτο αντί να περιμένει την ολοκλήρωση κάθε πειράματος. Αυτή η συνεχής λειτουργία επιτρέπει στους αλγορίθμους μηχανικής μάθησης του εργαστηρίου να λαμβάνουν πολύ περισσότερα και υψηλότερης ποιότητας πειραματικά δεδομένα, βελτιώνοντας διαρκώς την ακρίβεια των προβλέψεών τους και επιταχύνοντας την επίλυση προβλημάτων.
Πέρα από την ταχύτητα, η καινοτομία μειώνει σημαντικά το περιβαλλοντικό αποτύπωμα. "Μειώνοντας τον αριθμό των απαραίτητων πειραμάτων, το σύστημα περιορίζει δραστικά τη χρήση χημικών και τα απόβλητα, προωθώντας πιο βιώσιμες ερευνητικές πρακτικές", σημειώνει ο Αμπολχασανί. "Το μέλλον της ανακάλυψης υλικών δεν αφορά μόνο το πόσο γρήγορα μπορούμε να κινηθούμε, αλλά και το πόσο υπεύθυνα φτάνουμε εκεί."
Οι επιπτώσεις για την αντιμετώπιση παγκόσμιων προκλήσεων είναι βαθιές. Αυτοματοποιημένα εργαστήρια θα μπορούσαν να επιτρέψουν στους επιστήμονες να ανακαλύπτουν καινοτόμα υλικά για καθαρή ενέργεια, νέα ηλεκτρονικά ή βιώσιμες χημικές ουσίες σε ημέρες αντί για χρόνια. Σε δοκιμές, το σύστημα δυναμικής ροής εντόπισε βέλτιστους υποψήφιους υλικών με την πρώτη προσπάθεια μετά την εκπαίδευση, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητά του.
Αυτή η τεχνολογία αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης τάσης προς την αυτόνομη επιστήμη, όπου η τεχνητή νοημοσύνη και η ρομποτική επιταχύνουν την ανακάλυψη κατά 10 έως 100 φορές σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους. Καθώς αυτά τα συστήματα συνεχίζουν να εξελίσσονται, υπόσχονται να προσφέρουν ταχύτερες λύσεις για τις πιο πιεστικές προκλήσεις της κοινωνίας στους τομείς της ενέργειας, της βιωσιμότητας και της ανάπτυξης προηγμένων υλικών.