Робота научили проводить химические эксперименты в человеческой лаборатории

Ученые из Великобритании научили робота проводить химические эксперименты, используя стандартное лабораторное оборудование и посуду. Он передвигается по лаборатории на колесной платформе с лидарами и работает с инструментами вслепую, понимая их положение с помощью высокоточного отслеживания положения манипулятора и калибровки возле каждого инструмента. Разработчики продемонстрировали возможности робота на практике, поручив ему подбор оптимального вспомогательного вещества для фотокаталитического расщепления воды. Робот смог выполнить эту задачу, работая на протяжении восьми дней более 21 часа в сутки, рассказывают авторы статьи в Nature.

Ключевую роль в научных исследованиях играет умственный процесс выдвижения гипотез, планирования экспериментов и анализ полученных данных, и пока компьютеры и роботы практически неспособны заменить ученых-людей в этих задачах. Но существенную часть времени во многих научных работах занимают рутинные процессы в лаборатории, которые потенциально можно автоматизировать и тем самым освободить время ученых для более сложных и творческих задач.

Ученые из Ливерпульского университета под руководством Эндрю Купера (Andrew Cooper) научили робота почти полностью автономно выполнять многие эксперименты в химических лабораториях, во время которых необходимо десятки и сотни раз создавать смеси или растворы заданного состава, а затем перемещать ампулы с ними между аппаратами.

Они использовали готового промышленного робота Kuka KMP200, который состоит из большой колесной платформы и закрепленной на ней роборуки с захватом. Он ориентируется в лаборатории с помощью двух лидаров, которые позволяют ему безопасно ездить по помещению с высокой точность. Но этой точности недостаточно для работы с оборудованием. Часто в подобных разработках эту проблему пытаются решить с помощью компьютерного зрения на основе камер.

Купер с коллегами решил использовать другой подход: они установили рядом с каждым аппаратом небольшой жесткий блок. После того, как мобильная платформа подъехала к столу с нужным в текущий момент инструментом, роборука проводит короткую калибровку, прикасаясь к блоку с разных сторон несколько раз. Это позволяет повысить точность позиционирования руки с примерно сантиметра и 2,5 градуса до 120 микрометров и 0,005 градуса. При этом калибровка происходит за несколько десятков секунд, поэтому это не сильно влияет на общую скорость работы.

Разработчики испытали робота на реальной задаче. Ему поручили экспериментальный подбор полученного из биоматериалов расходуемого дырочного акцептора для поддержки фотокаталитического расщепления воды на водород и кислород. Они использовали каталитический полимер P10 и различные вещества-кандидаты. Задача робота заключалась в том, чтобы сначала насыпать в ампулы катализатор, затем добавлять к нему раствор с веществами-кандидатами, после этого проводить расщепление и затем анализировать содержание водорода. Все эти этапы выполняли аппараты в лаборатории, а робот перемещал ампулы между ними. Также робот с помощью метода Байесовской оптимизации подбирал на основе данных с уже проведенных экспериментов новые концентрации, чтобы найти оптимальную смесь.
Робот-лаборант работал восемь дней по 21,6 часа в сутки и за это время провел эксперименты с 688 разными смесями. В результате ему удалось подобрать смесь, у которой выход водорода был в шесть раз выше, чем у изначальной смеси, подобранной случайным образом: 21,05 микромоль в час. Смесь состоит из P10, гидроксида натрия, L-цистеина и дисиликата натрия.

В 2018 году японские ученые создали аппарат, автоматизирующий обнаружение одноатомных пленок и сборку из них гетероструктур. За 32 часа аппарат смог собрать структуру, состоящую из 29 чередующихся слоев графена и гексагонального нитрида бора.

Читайте также

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.