Popular science work
美國(guó)芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一套自驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它會(huì)自己“種”材料，可以自主完成整個(gè)材料合成與優(yōu)化流程，無(wú)需人工持續(xù)干預(yù)。該系統(tǒng)結(jié)合機(jī)器人自動(dòng)化與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可自主決定下一步實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)執(zhí)行、性能測(cè)量到結(jié)果分析的全閉環(huán)運(yùn)行。這種方法有望廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)材料合成領(lǐng)域，并最終拓展至復(fù)雜的量子材料制備，預(yù)示著一種全新的制造模式問(wèn)世。
在制造用于電子、光學(xué)和量子技術(shù)的金屬薄膜時(shí)，科學(xué)家通常需要耗費(fèi)數(shù)月時(shí)間反復(fù)調(diào)整工藝參數(shù)，如溫度、材料成分和反應(yīng)時(shí)間，以期找到最優(yōu)的制備條件。這一過(guò)程依賴(lài)大量試錯(cuò)，進(jìn)展緩慢。此次新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全流程自動(dòng)化：運(yùn)行實(shí)驗(yàn)、測(cè)量結(jié)果，并將數(shù)據(jù)反饋給機(jī)器學(xué)習(xí)模型，由模型指導(dǎo)下一次實(shí)驗(yàn)。
該系統(tǒng)聚焦于物理氣相沉積（PVD）技術(shù)，即通過(guò)加熱銀等金屬使其蒸發(fā)，隨后在基底表面凝結(jié)形成超薄薄膜。PVD過(guò)程對(duì)溫度、時(shí)間、材料純度及環(huán)境條件極為敏感，微小差異都可能導(dǎo)致結(jié)果波動(dòng)，因此長(zhǎng)期以來(lái)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)方法依賴(lài)人工逐次調(diào)整參數(shù)，每次實(shí)驗(yàn)周期通常耗時(shí)一天以上，效率低下。為解決這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)從零開(kāi)始搭建了一套完整的機(jī)器人系統(tǒng)，能夠自動(dòng)完成PVD的全部步驟，包括樣品處理、薄膜制備和性能檢測(cè)。
隨后，團(tuán)隊(duì)與計(jì)算機(jī)科學(xué)家合作，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行合成、分析，并動(dòng)態(tài)調(diào)整后續(xù)實(shí)驗(yàn)條件。團(tuán)隊(duì)只需輸入所需薄膜的性能指標(biāo)，機(jī)器學(xué)習(xí)模型便會(huì)自主規(guī)劃實(shí)驗(yàn)路徑，并逐步逼近目標(biāo)。為應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)中難以避免的隨機(jī)擾動(dòng)，例如基底表面的微小差異或真空室內(nèi)的微量氣體，系統(tǒng)在每次新實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，會(huì)先制備一層極薄的“校準(zhǔn)層”，幫助算法識(shí)別當(dāng)前環(huán)境條件，從而提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。
為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，團(tuán)隊(duì)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)——制備具有特定光學(xué)特性的銀膜。銀作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)理清晰的材料，是理想的測(cè)試對(duì)象。在實(shí)際運(yùn)行中，該自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平均僅用2.3次實(shí)驗(yàn)即達(dá)成目標(biāo)。在數(shù)十次連續(xù)運(yùn)行中，系統(tǒng)全面探索了不同工藝條件的影響，相當(dāng)于人類(lèi)團(tuán)隊(duì)耗時(shí)數(shù)周才能完成的工作量。
值得一提的是，整套裝置成本比此前商業(yè)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的同類(lèi)自動(dòng)化系統(tǒng)便宜一個(gè)數(shù)量級(jí)。
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