Naukowiec może iść do domu. To laboratorium samo zrobi eksperymenty

Naukowiec wybiera eksperyment, zatwierdza konfigurację i może po prostu odejść od stołu. Dalej do pracy zabiera się robot. Sam znajduje potrzebne elementy, ustawia lustra i soczewki, reguluje je z ogromną precyzją, uruchamia układ, pilnuje jego działania, a jeśli coś zostanie przesunięte, próbuje samodzielnie przywrócić prawidłowe ustawienie. MIT zbudował robotyczne laboratorium optyczne, które automatyzuje nie pojedynczy pomiar, ale niemal cały fizyczny proces przygotowania eksperymentu.

Układy optyczne potrafią wyglądać jak niewielkie miasta zbudowane z luster, soczewek, laserów, kamer i dziesiątek uchwytów. Problem jednak w tym, że nie wystarczy po prostu postawić tych elementów mniej więcej tam, gdzie powinny się znaleźć. Światło jest bezlitosne dla niedokładności. Lustro przesunięte o niewielką odległość albo ustawione pod minimalnie złym kątem może sprawić, że wiązka przestanie trafiać w kolejne elementy. Przy bardziej skomplikowanym układzie ustawianie wszystkiego może zajmować dni, a nawet miesiące.

System z MIT zaczyna natomiast od elementów rozmieszczonych przypadkowo na stole. Jego sercem jest ramię robotyczne z 7 ruchomymi przegubami. Każde lustro, soczewka i pozostałe elementy umieszczono w specjalnie przygotowanej obudowie. Na jej górnej części znajduje się kod pozwalający maszynie rozpoznać, co właściwie leży przed nią i jakie ma właściwości.

Robot najpierw orientuje się więc, gdzie znajdują się potrzebne części. Następnie podnosi je i ustawia na metalowym stole. Magnetyczne podstawy pomagają utrzymać komponenty dokładnie tam, gdzie powinny się znaleźć. To jednak dopiero początek.

Badacze postawili przed systemem znacznie trudniejsze zadanie niż ustawienie kilku soczewek w odpowiednich miejscach. Robot miał samodzielnie zbudować działającą wnękę laserową. To układ, w którym światło wielokrotnie odbija się między odpowiednio ustawionymi lustrami i przechodzi przez materiał wzmacniający. Żeby całość zadziałała, poszczególne elementy muszą zostać ustawione wyjątkowo precyzyjnie.

Robot wykonał 50 kolejnych operacji i w ciągu 30 minut doprowadził od przypadkowo rozmieszczonych części do działającego układu. Samo ułożenie komponentów nie wystarczało. Maszyna musiała później wycentrować wiązkę lasera, zgrać ze sobą kilka wiązek oraz precyzyjnie regulować ustawienie luster.

Do tego służą małe, sterowane bezprzewodowo urządzenia regulacyjne zamontowane przy standardowych elementach optycznych. Mogą obracać pokrętła, którymi normalnie operowałby człowiek. Robot obserwuje rezultat i koryguje ustawienie, aż osiągnie wymagany efekt. Z góry całą scenę śledzą dodatkowo kamery, które pozwalają systemowi kontrolować położenie elementów.

Jeszcze ciekawsze jest to, co dzieje się tuż po uruchomieniu układu. Precyzyjny eksperyment optyczny nie jest czymś, co raz się ustawia i można o nim zapomnieć. Niewielkie drgania, zmiana temperatury albo przypadkowe przesunięcie elementu mogą pogorszyć jakość wiązki i zepsuć pomiar.

W tradycyjnym laboratorium ktoś musi wtedy zauważyć problem i ponownie dostroić aparaturę. System MIT jednak cały czas obserwuje własne działanie. Kiedy badacze celowo przesuwali elementy i rozstrajali układ, robot wykrywał pogorszenie parametrów i ponownie ustawiał komponenty. Właśnie tutaj zaczyna się robić naprawdę ciekawie. Maszyna nie wykonuje jedynie zapisanej wcześniej sekwencji ruchów. Działa w zamkniętej pętli: wykonuje zmianę, sprawdza jej efekt i na podstawie wyniku decyduje o kolejnej korekcie. Dzięki temu może nie tylko zbudować eksperyment, lecz także utrzymywać go w działaniu.

Nie oznacza to jednak jeszcze powstania robotycznego Einsteina, który rano wymyśli teorię, w południe zaplanuje doświadczenie, a wieczorem napisze pracę naukową. Człowiek wciąż określa, jaki układ ma powstać i czego od niego oczekuje. Obecny system został też opracowany przede wszystkim z myślą o eksperymentach optycznych. Zmienia się natomiast to, co dzieje się później. Naukowiec nie musi spędzać kolejnych godzin na przesuwaniu luster o ułamki milimetra i ponownym ustawianiu sprzętu po każdej zmianie. Robot może wykonywać powtarzalne czynności bez przerwy i stale kontrolować eksperyment.

Jak już wcześniej pisaliśmy, podobny kierunek widać w laboratoriach ORNL, gdzie automatyczna aparatura zbiera tysiące pomiarów, a system wykorzystujący sztuczną inteligencję analizuje je i proponuje kolejne eksperymenty. Coraz więcej elementów pracy badawczej można więc zamknąć w jednej pętli: eksperyment, pomiar, analiza, zmiana parametrów i kolejny eksperyment. MIT dokłada do tego po prostu fizyczne ręce.

Docelowa wizja idzie jeszcze dalej. Badacze rozwijają system, który miałby umożliwiać dostęp do fizycznego laboratorium przez chmurę. Naukowiec znajdujący się w innym mieście albo kraju mógłby przesłać konfigurację eksperymentu. Robot na miejscu dobierałby odpowiednie elementy, ustawiał je, uruchamiał aparaturę i wykonywał pomiary. Po zakończeniu doświadczenia mógłby rozebrać cały układ i przygotować stół dla następnego użytkownika.

W przyszłości obok takiego stanowiska mogłaby znaleźć się również większa biblioteka luster, soczewek, źródeł światła i innych elementów. Kolejny robot dostarczałby odpowiednie części, a ramię przy stole składałoby z nich wymagany zestaw. Taki model byłby szczególnie przydatny tam, gdzie trzeba przetestować ogromną liczbę konfiguracji. Chodzi m.in. o nowe materiały do ogniw słonecznych, czujników, ekranów, urządzeń fotonicznych i technologii kwantowych. Zespół już próbuje wykorzystać system do badania materiałów przeznaczonych do wychwytywania dwutlenku węgla.

Przeczytaj także:

Automatyzacja laboratoriów coraz wyraźniej zmierza w stronę tego samego modelu, który pojawia się w innych dziedzinach: człowiek określa problem, a maszyna przejmuje żmudną część wykonawczą.

Jak już wcześniej pisaliśmy, NASA również chce oddawać robotom rutynowe obowiązki, żeby nie marnować cennego czasu ludzi na powtarzalne czynności. W laboratorium stawka jest podobna. Godzina specjalisty poświęcona na wielokrotne poprawianie położenia lustra to godzina, której nie przeznaczy na analizę wyników albo wymyślanie kolejnego doświadczenia. Robot MIT nie zastępuje więc naukowca. Na obecnym etapie odbiera mu raczej śrubokręt, pokrętła i konieczność ślęczenia godzinami przy stole.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI