Newswise — Добавляя роботов к экспериментальным проектам, ученые ускоряют изучение жидкостей.

Небольшая капля жидкости могла бы стать ключом к пониманию химических реакций или разработке более эффективных лекарств, но до недавнего времени исследователи, использующие рентгеновские лучи для изучения жидкостей, были ограничены трудоемкими ручными процессами и контейнерами, в которых хранились жидкости.

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) используют возможности искусственного интеллекта (ИИ) и робототехники, чтобы устранить препятствия на пути открытий. Они разрабатывают новый метод, позволяющий упростить процесс изучения наноразмерной структуры жидкостей без использования контейнера. Это называется роботизированная подвеска-капля, и работает она следующим образом:

• Робот собирает образец жидкости с помощью электронной пипетки.
• Манипулятор робота перемещает образец в положение на линии рентгеновского луча и суспендирует каплю жидкости на кончике пипетки.
• Рентгеновский луч проникает в каплю жидкости, а рассеянный луч предоставляет информацию о структуре и динамике материала.
• После рентгеновского измерения капля жидкости возвращается в наконечник пипетки для утилизации. Поскольку контейнер с жидкостью не используется, все этапы могут быть полностью автоматизированы, и этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут измерены все образцы.

Исследователи использовали рентгеновские лучи для поиска причин свойств материалов в жидких средах. Обычно исследования жидкостей требуют помещения исследуемой жидкости в контейнер. Однако использование контейнера обычно требует вмешательства человека и увеличивает время и количество процедур, необходимых для замены образцов. Контейнер также затрудняет контроль испарения растворителя, что является одним из методов контроля состояния пробы.

Этот прорыв в области бесконтейнерной жидкости упрощает процесс обмена образцами между испытаниями, что позволяет ученым быстрее изучать больше образцов.

Хотя это может показаться небольшим изменением в изучении крошечных образцов, последствия этого нового процесса могут быть огромными. Поскольку усовершенствованный источник фотонов (APS), пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США в Аргонне, пользуется спросом в исследовательских проектах со всего мира, у ученых, работающих на лучах, время на машине ограничено. Каждая секунда времени исследований имеет значение, и этот подход может значительно повысить производительность на технологической линии.

«Традиционно, каждый раз, когда кто-то входит в станцию ​​(клетку) для смены пробы и хочет закрыть станцию ​​для измерения, ему приходится пройти по всей линии и вручную нажать ряд кнопок. Эта процедура называется «обыск клетки», и ее цель состоит в том, чтобы убедиться, что никто не заперт внутри, когда включен рентгеновский луч», — рассказал инженер робототехники из Аргонна Дога Озгульбас, который был первым автором исследования.

Кроме того, исследователям необходимо будет подготовить новые образцы для тестирования, загрузить их в контейнеры с жидкостью и выровнять образцы так, чтобы рентгеновский луч не пропустил образец. «Это очень трудоемкий и многоэтапный процесс: отвинчивание контейнера, его повторное закручивание и последующая регулировка», — сказал Озгульбас.

С помощью роботизированной подвесной системы учёные имеют возможность изменять эксперимент или проводить исследования образцов множества разных исследователей, при этом исследователь не входит в луч.

Озгульбас объяснил, что, автоматизировав анализ жидкости с помощью подвесной капли, исследователи смогут минимизировать время, затрачиваемое на корректировку образцов, и освободит больше времени для экспериментов. «С помощью инструментов автоматизации, которые мы разрабатываем, мы можем снизить частоту, с которой нам нужно входить в канал для обмена образцами, с одного раза каждые несколько часов до потенциально одного раза в неделю или около того. Это может значительно увеличить пропускную способность небольших групп исследователей, поскольку им не придется постоянно изготавливать и менять образцы, иногда поздно ночью, а также освобождает рентгеновский луч для дальнейших исследований», — сказал он.

«По сути, мы пытаемся замкнуть цикл проектирования и определения характеристик материалов посредством автоматизации», — добавил физик из Аргонны Цинтэн Чжан, соавтор исследования. «У нас уже есть программное обеспечение и конвейеры данных, которые позволяют нам анализировать данные практически в реальном времени, а также инструменты искусственного интеллекта, которые могут помочь нам в интерпретации результатов. Теперь мы хотим расширить возможности самой линии луча с помощью автоматизированной замены и подготовки образцов, чтобы ИИ мог готовить, измерять и обменивать образцы с помощью роботов, просматривать результаты, чтобы решить, какой образец измерять следующим, и начать делать следующий образец. В конечном итоге это проложит путь к автономному открытию материалов».

Ученый-вычислитель из Аргонна Арвинд Раманатан, еще один соавтор исследования, сказал, что проблемы, возникшие во время пандемии, помогли мотивировать этот новый экспериментальный план. «COVID преподал нам несколько уроков, один из которых заключается в том, что хорошо быть достаточно проворным, чтобы проводить эксперименты, даже если вы не можете физически получить доступ к самим объектам», — сказал он. «Мы дали себе возможность работать непрерывно в течение более длительного времени, что дает нам возможность быстрее проводить новые серии экспериментов».

По словам Раманатана, сочетание роботизированных приборов с высокопроизводительными вычислениями поможет ускорить широкий спектр экспериментов. «Возможность сочетать эту форму автоматического открытия со строгим моделированием на высокопроизводительных суперкомпьютерах Аргоннского вычислительного центра (ALCF) может помочь исследователям проводить новые и более сложные эксперименты», — сказал он. «Эти роботизированные эксперименты могут привести к чрезвычайно быстрому результату и ускорить темпы многих исследований». ALCF является пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США.

«Благодаря обновлению APS и этим новым роботизированным технологиям ученые смогут за несколько секунд проводить эксперименты, которые раньше занимали полдня», — добавил Чжан. Он также упомянул, что следующий этап исследований предполагает использование роботизированной отвертки для сборки металлических жидкостных ячеек для длительных измерений и точного контроля температуры. Эти жидкостные элементы совместимы с вязкими жидкостями или мягкими твердыми веществами и используются многими пользователями APS. Сборка и замена роботизированных клеток еще больше дополнят режим удаленной работы, который был разработан во время COVID, чтобы обеспечить более универсальный дизайн экспериментов и повысить научную продуктивность.

Статья, основанная на исследовании «Роботизированная подвесная капля: безконтейнерная жидкость для XPCS с мкс-разрешением и исполняемым искусственным интеллектом», была опубликована в онлайн-издании Light: Science and Applications от 18 августа 2023 года.

Исследование финансировалось программой исследований и разработок под руководством лаборатории Аргонна.

Аргоннский вычислительный центр для руководителей предоставляет суперкомпьютерные возможности научному и инженерному сообществу для продвижения фундаментальных открытий и понимания в широком спектре дисциплин. При поддержке программы передовых научных компьютерных исследований (ASCR) Министерства энергетики США (DOE) ALCF является одним из двух ведущих вычислительных центров Министерства энергетики США, занимающихся открытой наукой.

О усовершенствованном источнике фотонов

Усовершенствованный источник фотонов (APS) Управления науки Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории является одним из самых производительных в мире источников рентгеновского излучения. APS обеспечивает рентгеновские лучи высокой яркости разнообразному сообществу исследователей в области материаловедения, химии, физики конденсированного состояния, наук о жизни и окружающей среде, а также прикладных исследований. Эти рентгеновские лучи идеально подходят для исследования материалов и биологических структур; распределение элементов; химические, магнитные, электронные состояния; и широкий спектр технологически важных инженерных систем, от аккумуляторов до топливных форсунок, которые являются основой экономического, технологического и физического благополучия нашей страны. Ежегодно более 5000 исследователей используют APS для создания более 2000 публикаций с подробным описанием важных открытий и решения более важных биологических белковых структур, чем пользователи любого другого исследовательского центра рентгеновского излучения. Ученые и инженеры APS разрабатывают инновационные технологии, лежащие в основе развития ускорителей и источников света. Сюда входят вводные устройства, которые производят рентгеновские лучи чрезвычайной яркости, которые ценятся исследователями, линзы, фокусирующие рентгеновские лучи до нескольких нанометров, приборы, которые максимально увеличивают взаимодействие рентгеновских лучей с исследуемыми образцами, а также программное обеспечение, которое собирает и управляет огромным количеством данных, полученных в результате исследований в APS.

В этом исследовании использовались ресурсы Advanced Photon Source, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США, управляемого для Управления науки Министерства энергетики Аргоннской национальной лабораторией по контракту № DE-AC02-06CH11357.

Аргоннская национальная лаборатория ищет решения актуальных национальных проблем в области науки и техники. Первая национальная лаборатория страны, Аргонна, проводит передовые фундаментальные и прикладные научные исследования практически во всех научных дисциплинах. Исследователи из Аргонна тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, а также федеральных, государственных и муниципальных учреждений, чтобы помочь им решить их конкретные проблемы, продвинуть научное лидерство Америки и подготовить нацию к лучшему будущему. Компания Argonne, в которой работают сотрудники из более чем 60 стран, управляется компанией UChicago Argonne, LLC Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.