Un team di ricerca dell’Università di Tokyo ha sviluppato dLab, un sistema di laboratorio digitale che automatizza completamente la sintesi dei materiali e la valutazione delle proprietà strutturali e fisiche di campioni a film sottile.
I ricercatori dell’Università di Tokyo hanno sviluppato un sistema di laboratorio digitale, chiamato dLab, che automatizza completamente la sintesi dei materiali e la valutazione delle proprietà strutturali e fisiche di campioni a film sottile. Grazie al laboratorio digitale, il team può sintetizzare autonomamente campioni a film sottile e misurarne le proprietà. Il sistema dimostra una sintesi avanzata, automatica e autonoma, dei materiali per la scienza dei materiali basata su dati e robot. La ricerca attuale è pubblicata sulla rivista Digital Discovery.
L’apprendimento automatico, la robotica e i dati sono considerati vitali per la scoperta di nuovi materiali ma spesso questa parte del processo sperimentale presenta ostacoli. Per questo motivo, i ricercatori della Tokyo University hanno costruito dlab, un laboratorio digitale con apparati interconnessi per la ricerca sui materiali solidi. Hanno utilizzato robot per raccogliere dati sperimentali, come i processi di sintesi, e misurarne le proprietà fisiche, comprese le condizioni di misurazione. Il laboratorio è costituito da una varietà di strumenti sperimentali modulari fisicamente interconnessi che consente ai ricercatori di automatizzare completamente i processi, dalla sintesi dei materiali a un’ampia gamma di misurazioni di microstrutture superficiali, modelli di diffrazione dei raggi X, spettri Raman (una tecnica di analisi chimica che utilizza la luce diffusa), conduttività elettrica e trasmittanza ottica.
Il dLab è costituito da due sistemi. Un sistema integra strumenti sperimentali per eseguire la sintesi e le misurazioni automatizzate dei materiali, mentre l’altro gestisce la raccolta e l’analisi dei dati. Ogni strumento di misura fornisce dati in un archivio dati in formato XML, chiamato MaiML, che viene raccolto in un database in cloud. Successivamente i dati vengono analizzati da un software e utilizzati sul cloud.
La sintesi autonoma di un materiale a film sottile
“Abbiamo dimostrato che il sistema può sintetizzare autonomamente un materiale a film sottile specificato da un ricercatore” spiega Taro Hitosugi, docente della Graduate School of Science dell’Università di Tokyo. Utilizzando dLab, il suo team ha dimostrato la sintesi autonoma di film sottili a elettrodo positivo agli ioni di litio e la loro valutazione strutturale tramite misurazioni di modelli di diffrazione dei raggi X.
“Il nostro lavoro attuale affronta la sfida di accelerare la ricerca nella scienza dei materiali. Il nostro approccio migliora l’uso dei dati nella ricerca. Miriamo a creare un ambiente di ricerca in cui i ricercatori possano concentrarsi sulla creatività. L’introduzione dell’apprendimento automatico e della robotica contribuirà a far progredire ulteriormente la scienza dei materiali, approfondendo la teoria e scoprendo nuovi materiali” spiega Hitosugi.
Nonostante i recenti progressi, la modularizzazione e la standardizzazione nella ricerca sui materiali solidi sono ancora rudimentali. Un fattore che contribuisce a questo è la mancanza di standard consolidati per le forme e le dimensioni dei campioni e dei contenitori per i campioni. I materiali solidi sono disponibili in una varietà di forme fisiche, tra cui polvere e massa. I ricercatori necessitano di forme e contenitori per campioni standardizzati. Manca anche un formato unificato per i dati di misurazione, il che complica la raccolta dei dati. La Japan Analytical Instruments Manufacturers Association (JAIMA) ha collaborato con le aziende associate e il Ministero dell’Economia, del Commercio e dell’Industria per stabilire un formato dati chiamato Measurement Analysis Instrument Markup Language (MaiML). MaiML è stato registrato come standard industriale giapponese nel 2024. Questo formato standardizzato fornisce un formato unificato per la raccolta e l’utilizzo dei dati.
Guardando al futuro, il team spera di migliorare il sistema standardizzando il software di orchestrazione e la pianificazione. Ciò consentirebbe ai ricercatori di ampliare le esplorazioni dei materiali e di gestire le attività per più campioni in modo più efficiente. Il loro obiettivo è sfruttare dLab per accelerare lo sviluppo dei materiali. “Puntiamo a digitalizzare l’ambiente di ricerca e sviluppo, promuovere ricercatori in grado di utilizzare queste tecnologie e facilitare la condivisione e l’utilizzo dei dati. Questo ambiente sfrutterà appieno la creatività dei ricercatori” conclude il ricercatore collaboratore e autore principale Kazunori Nishio, professore associato appositamente nominato presso l’Institute of Science di Tokyo.
Foto Junichi Kaizuka
