Robot voert materiaal-experimenten uit
Een robot blijkt in staat om op zichzelf materiaalonderzoek uit te voeren, zo melden onderzoekers van het Amerikaanse Air Force Research Laboratory.
Terwijl de wetenschap zich op allerlei fronten steeds sneller ontwikkelt, gaat de ontwikkeling van nieuwe materialen nog steeds relatief langzaam. Tussen het bedenken van een nieuw materiaal en de daadwerkelijke toepassing ervan zit zo'n 20 jaar - een eeuwigheid in een snel veranderende wereld. Dat komt onder andere doordat materiaalonderzoek erg arbeidsintensief is. Er zijn veel experimenten nodig, en de onderzoeker moet alles zelf doen: hij of zij bedenkt, voert uit, analyseert en interpreteert, om daarna te besluiten wat de volgende stap moet zijn.
Inmiddels is er bij het materiaalonderzoek wel ervaring met het gebruik van computers om alle gegevens te verwerken, maar dat geldt niet voor het onderzoek zelf. Het herhalende karakter ervan betekent dat elke stap kennis oplevert die wordt gebruikt in de daarop volgende stappen. Het verwerken van die kennis vereist nog steeds een menselijke onderzoeker.
Het Amerikaanse Air Force Research Laboratory ontwikkelde een systeem dat zelfstandig zo’n iteratief onderzoek uit kan voeren. Dit zogeheten Autonomous Research System gebruikt meetgegevens om zijn kennis over een nieuw materiaal te vergroten en voert met behulp daarvan nieuwe experimenten uit. Het systeem is een combinatie van robotica, kunstmatige intelligentie en datawetenschap.
Nanokoolstofbuisjes
Het systeem werd getest met onderzoek naar koolstofnanobuisjes. In de praktijk blijkt dit veelbelovende materiaal met bijzondere eigenschappen van sterkte en geleidbaarheid, lastig op grotere schaal te produceren. Meestal is het eindresultaat niet goed genoeg waardoor de veelbelovende eigenschappen niet tot uiting komen. Het Research System is nu ingezet om na te gaan wat de invloed is van parameters als temperatuur, druk en gassamenstelling op de kwaliteit van de groei van de nanobuisjes.
Het experiment was zo opgezet dat de robotonderzoeker honderden experimenten kon uitvoeren zonder het materiaal te hoeven aanpassen of neer te zetten. Daartoe is in een vacuümkamer een silicium schijf neergezet voorzien van honderden pilaartjes. De robot beschikt over een laser waarmee één zo’n pilaartje kan worden bestraald. Door de laser groeit dat pilaartje uit tot een nanokoolstofbuisje. De robot gebruikt diezelfde laser om via spectroscopie de eigenschappen van het zo gegroeide nanobuisje te bepalen.
Honderd experimenten per dag
Het onderzoekssysteem moest de condities bepalen waaronder de nanokoolstofbuisjes het snelst groeien. Met de spectroscopie bepaalde de robotonderzoeker de groeisnelheid, hij paste de groeicondities aan en leerde vervolgens wat het effect daarvan is. Uiteindelijk was het Autonomous Research System in staat om op een dag honderd van dat soort experimenten uit te voeren. Bij conventioneel onderzoek is één experiment per dag gebruikelijk.
Voordat de onderzoeksrobot zelf aan de slag ging voerde hij eerst 84 experimenten uit om zijn database met een eerste reeks gegevens te vullen. Uiteindelijk deed de robot zo'n 600 experimenten, waarbij hij uiteindelijk de optimale condities wist te bepalen met een maximale groeisnelheid. De robot was ook steeds beter in staat om het door hemzelf geproduceerde model te gebruiken voor voorspellingen. Zo wist hij na een tijdje wat een aanpassing deed met de groeisnelheid.
De optimale groeicondities die de robot zo vaststelde stemmen overeen met de resultaten die menselijke onderzoeksgroepen elders hadden vastgesteld.
Nieuwe rol menselijke onderzoeker
De onderzoekers van het Air Force Research Lab verwachten dat het gebruik van autonome robotonderzoekers een grote vlucht zal nemen in de materiaalwetenschappen. Het bevordert de snelheid en efficiëntie van het experimenteren, maakt meer complexe onderzoeken mogelijk en de robot kan onderzoek doen onder omstandigheden waar een menselijke onderzoeker liever niet aan wordt blootgesteld.
De opkomst van dit soort Autonomous Research Systems zal de rol van de menselijke onderzoeker ingrijpend veranderen, maar niet overbodig maken, benadrukken de mensen van het Air Force Research Lab. Het bepalen van het doel van het onderzoek, de planning van experimenten, het bewaken van de voortgang, het tussentijds veranderen van de experimentopzet, voor dat alles blijft de menselijke onderzoeker onmisbaar. Juist het repetitieve en toch wel vaak geestdodende werk wordt hem door de robotonderzoeker uit handen genomen.
Openingsfoto: Dr. Benji Maruyama van het Air Force Research Lab bij de onderzoeksrobot. Foto Marisa Novobilski
