Des laboratoires robotiques alimentés par l’IA permettent des expériences simultanées

Dans le cadre d’une expérience pionnière, une plate-forme robotique de préparation d’échantillons, pilotée par l’intelligence artificielle (IA), a été utilisée pour entreprendre des expériences simultanées à la fois à Diamond Light Source, le synchrotron national du Royaume-Uni, et à la source de neutrons et de muons ISIS, la source nationale de neutrons et de muons du Royaume-Uni. .

Bien que la recherche collaborative entre ces deux installations scientifiques, situées sur le campus de Harwell dans le sud de l’Oxfordshire, soit courante, cette expérience particulière a repoussé de nouvelles limites, les expériences étant réalisées en même temps sur des installations robotiques identiques qui étaient en communication directe avec chacun. autre.

L’expérience simultanée a été menée par deux laboratoires de formulation automatisée (AFL) qui, après un retard de deux ans avec les douanes, ont finalement pu arriver au campus de Harwell. Ils ont ensuite été installés et exploités de manière autonome sur les lignes de lumière à diffusion aux petits angles I22 de Diamond et Larmor d’ISIS.

Les AFL ont été produits par des équipes de recherche du National Institute of Standards and Technology (NIST), basées à Gaithersburg, dans le Maryland, aux États-Unis, expédiés au laboratoire Rutherford Appleton, puis installés chez Diamond et ISIS.

Le Dr Gregory Smith, d’ISIS, a déclaré : « Nous discutons depuis de nombreuses années de l’utilisation du laboratoire de formulation autonome pour des expériences à ISIS, et ce n’est que récemment que nous avons envisagé l’idée d’effectuer des mesures de neutrons et de rayons X en parallèle à ISIS et Diamant.

« Obtenir un équipement sur mesure sur site pour mener une expérience est déjà un véritable défi, mais il a fallu de grands efforts de la part de nombreux membres du personnel de RAL, du personnel de soutien aux scientifiques en passant par les ingénieurs, pour y parvenir. J’étais heureux d’avoir enfin réussi à obtenir le Les AFL sont ici et les utilisent comme prévu, et les résultats passionnants produits par l’équipe du NIST ont justifié tout ce travail, aboutissant à une expérience véritablement unique. »

L’expérience a étudié les formulations de peinture, en utilisant la diffusion aux petits angles pour déterminer les propriétés du système. Les machines AFL, une rouge et une bleue, étaient reliées entre elles via des réseaux informatiques et fonctionnaient simultanément, capturant plusieurs modalités des formulations synthétisées.

Le projet avait deux objectifs : les chercheurs du NIST testaient l’IA et les éléments robotiques des machines, tout en travaillant également sur une question pertinente sur le plan industriel : dans ce cas « quelle est la formulation optimale d’un système de peinture donné ?

En utilisant à la fois la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) sur la ligne de lumière I22 et la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) à Larmor, l’expérience s’est avérée plus efficace à la fois en termes d’utilisation du temps de faisceau et de qualité de la collecte de données. Les données SAXS peuvent être collectées plus rapidement que les données SANS, ce qui a permis à l’équipe expérimentale d’exclure les formulations sans intérêt.

Cela a permis d’obtenir un ensemble de données plus complet à partir des formulations importantes dans un laps de temps plus court, car l’équipe a pu recueillir des informations sur les différentes parties du système avec chaque technique. Diamond et ISIS ont offert aux deux laboratoires de formulation une opportunité unique de travailler à l’unisson dans les installations de neutrons et de rayons X, une situation qui n’est actuellement possible que dans deux endroits dans le monde.

Tim Snow, principal scientifique logiciel travaillant sur la ligne de lumière I22 de Diamond, a déclaré : « C’est un très bon exemple de la collaboration des deux installations pour exploiter nos capacités uniques, en acquérant les meilleures données pour nos utilisateurs. »

L’élément robotique de l’AFL prépare des mélanges liquides par pipetage et transfère ces mélanges vers une cellule de mesure. Suite à une expérience SANS ou SAXS, les données sont analysées par un algorithme logiciel d’IA. L’algorithme d’IA examine les données collectées pour déterminer quel mélange effectuer ensuite, puis quelle analyse effectuer ensuite.

Le Dr Nick Terrill, scientifique principal de la ligne de lumière I22 de Diamond, a déclaré : « Il s’agit d’une expérience formidable et d’un exemple de co-enquête entre Larmor et I22. L’application de l’IA récemment développée pour explorer de nouvelles techniques de recherche ouvre le potentiel de nouvelles expériences passionnantes dans chimie combinatoire et science des matériaux.

Le Dr Robert Dalgliesh, d’ISIS, a poursuivi : « Il existe une longue histoire de communauté de diffusion aux petits angles utilisant à la fois la diffusion des rayons X et des neutrons pour comprendre les problèmes complexes de formulation à plusieurs composants en collaboration avec l’industrie.

« Le développement de l’AFL nous a montré le potentiel de nouvelles méthodes de travail et devrait, espérons-le, constituer un tremplin vers les technologies qui devront continuer à se développer alors que nous envisageons la construction d’ISIS-II et de Diamond-II. Travailler avec L’équipe du NIST qui a permis cette expérience a été très amusante et a également souligné la nécessité de continuer à renforcer les collaborations entre ISIS et Diamond.

Bien que cette expérience récente se soit concentrée sur la peinture, les laboratoires de formulation portables peuvent être utilisés dans une vaste gamme de produits impliquant des matériaux souples. Ces matériaux multi-composants sont présents dans l’industrie mais aussi dans la vie de tous les jours. Les produits comme les vaccins, les carburants et les shampoings sont formulés avec plusieurs composants, parfois même des centaines.

Si une partie d’une formulation doit être remplacée ou modifiée, cela peut entraîner des changements structurels complexes dans la formulation qui affectent l’efficacité, la stabilité et la transformabilité du produit. La collecte rapide de données qui peut être effectuée par l’AFL dans des installations comme Diamond et ISIS cartographie les changements potentiels et les solutions à toute modification de formulation.

Tandis que les AFL collectent et analysent les résultats, des expériences comme celle-ci ne sont possibles que dans des installations comme Diamond et ISIS, où les techniques de diffusion sont ouvertement accessibles aux utilisateurs ayant des idées passionnantes, partout dans le monde.

Snow a conclu : « Cette configuration, permettant à chaque machine d’apprendre de l’autre en temps réel, signifie que les deux lignes de lumière et les installations fonctionnent véritablement de concert. »