研究：机器人自动化、人工智能将加速科学实验室的科学进步

Josiah02 · 发表于 2024-10-24 13:59:42

随着机器人自动化和人工智能带来更快、更精确的实验，从而带来医疗、能源和电子等领域的突破，化学、生物化学和材料科学等各个学科的科学实验室正面临一场彻底的变革。
这是北卡罗来纳大学教堂山分校研究人员在《科学机器人》杂志上发表的一篇题为“将科学实验室转变为自动化发现工厂”的论文中提出的。
“如今，开发新分子、新材料和新化学系统需要大量的人力投入，”论文的资深作者、计算机科学系 Lawrence Grossberg 杰出教授 Ron Alterovitz 博士说道。“科学家必须设计实验、合成材料、分析结果并重复这一过程，直到达到所需的特性。”
这种反复试验的方法既耗时又费力，从而减慢了发现的速度。自动化提供了一种解决方案。机器人系统可以连续进行实验而不会让人感到疲劳，从而大大加快了研究速度。机器人不仅可以比人类更一致地执行精确的实验步骤，还可以通过处理危险物质来降低安全风险。通过自动化日常任务，科学家可以专注于更高层次的研究问题，为医学、能源和可持续性领域的更快突破铺平道路。
“机器人技术有可能将我们日常的科学实验室变成加速发现的自动化‘工厂’，但要做到这一点，我们需要创造性的解决方案，让研究人员和机器人能够在同一个实验室环境中合作，”论文合著者、化学系主任詹姆斯·卡洪博士说。
“随着持续发展，我们预计机器人和自动化将提高不同仪器和学科的实验速度、精度和可重复性，并生成人工智能系统可以分析的数据，以指导进一步的实验。”
研究人员定义了实验室自动化的五个级别，以说明自动化如何在科学实验室中发展：
辅助自动化（A1）：在此级别，液体处理等单个任务实现自动化，而大部分工作则由人类处理。
部分自动化（A2）：机器人执行多个连续步骤，由人类负责设置和监督。
有条件自动化（A3）：机器人管理整个实验过程，但在出现意外事件时需要人工干预。
高度自动化（A4）：机器人可以独立执行实验，自主设置设备并应对异常情况。
完全自动化（A5）：在此最后阶段，机器人和人工智能系统完全自主运行，包括自我维护和安全管理。
研究人员定义的自动化水平可用于评估该领域的进展，帮助建立适当的安全协议，并为科学领域和机器人技术的未来研究设定目标。尽管今天较低水平的自动化很常见，但实现高度和完全自动化是一项研究挑战，需要机器人能够在不同的实验室环境中运行，处理复杂的任务，并与人类和其他自动化系统无缝交互。
人工智能在推动自动化超越物理任务方面发挥着关键作用。人工智能可以分析实验产生的大量数据集，识别模式并提出新的化合物或研究方向。将人工智能集成到实验室工作流程中将使实验室能够实现整个研究周期的自动化——从设计实验到合成材料和分析结果。
在人工智能实验室中，传统的设计-制造-测试-分析 (DMTA) 循环可以完全自动化。人工智能可以确定进行哪些实验，进行实时调整，并不断改进研究过程。虽然人工智能系统在预测化学反应和优化合成路线等任务中取得了早期成功，但研究人员警告说，必须仔细监控人工智能，以避免风险，例如意外产生危险材料。
向自动化实验室过渡带来了巨大的技术和后勤挑战。实验室的设置差异很大，从单一流程实验室到大型多室设施。开发适用于不同环境的灵活自动化系统需要能够运输物品并在多个站点执行任务的移动机器人。
培训科学家使用先进的自动化系统也同样重要。研究人员不仅需要发展其科学领域的专业知识，还需要了解机器人、数据科学和人工智能的能力，以加速他们的研究。教育下一代科学家与工程师和计算机科学家合作对于充分发挥自动化实验室的潜力至关重要。
“机器人技术与人工智能的融合有望彻底改变科学实验室，”论文合著者、Alterovitz 博士计算机器人小组研究助理 Angelos Angelopoulos 表示。“通过自动化日常任务并加速实验，我们有望创造一个比以往更快、更安全、更可靠的环境，实现突破。”

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