I ricercatori del MIT hanno sviluppato SpectroGen, uno strumento di intelligenza artificiale che genera dati spettroscopici in qualsiasi modalità, come raggi X o infrarossi, per valutare velocemente la qualità di un materiale.
Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato uno strumento di intelligenza artificiale generativa che potrebbe contribuire a snellire le procedure di controllo qualità, offrendo un’opzione più rapida ed economica per alcuni settori industriali basati sui materiali. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Matter.
“SpectroGen”, questo il nome dello strumento, potenzia le capacità di scansione fungendo da spettrometro virtuale; acquisisce gli “spettri”, ovvero le misurazioni di un materiale in una modalità di scansione, come l’infrarosso, e genera l’aspetto che avrebbero gli spettri di quel materiale se fossero scansionati in una modalità completamente diversa, come i raggi X. I risultati spettrali generati dall’intelligenza artificiale corrispondono, con una precisione del 99%, ai risultati ottenuti dalla scansione fisica del materiale con il nuovo strumento.
Alcune modalità spettroscopiche rivelano proprietà specifiche di un materiale: l’infrarosso rivela i gruppi molecolari di un materiale, mentre la diffrazione dei raggi X visualizza le strutture cristalline del materiale e la diffusione Raman ne illumina le vibrazioni molecolari. Ognuna di queste proprietà è essenziale per valutare la qualità di un materiale e in genere richiede flussi di lavoro noiosi su più strumenti costosi e distinti per la misurazione.
Con SpectroGen, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology immaginano di poter effettuare una varietà di misurazioni utilizzando un unico e più economico oscilloscopio fisico. Per esempio, una linea di produzione potrebbe eseguire il controllo qualità dei materiali scansionandoli con una singola telecamera a infrarossi. Questi spettri infrarossi potrebbero quindi essere immessi in SpectroGen per generare automaticamente gli spettri a raggi X del materiale, senza che l’azienda debba ospitare e gestire un laboratorio di scansione a raggi X separato, spesso più costoso. Il nuovo strumento di intelligenza artificiale genera spettri in meno di un minuto, mille volte più velocemente rispetto agli approcci tradizionali, la cui misurazione e convalida possono richiedere da diverse ore a giorni: “Riteniamo che non sia necessario effettuare le misurazioni fisiche in tutte le modalità necessarie, ma forse solo in un’unica modalità semplice ed economica. Poi si può usare SpectroGen per generare il resto. E questo potrebbe migliorare la produttività, l’efficienza e la qualità della produzione” spiega Loza Tadesse, professore associato di ingegneria meccanica al Massachusetts Institute of Technology e responsabile dello studio.
Gli esperimenti sui minerali
Il team del MIT ha dimostrato il suo strumento di intelligenza artificiale SpectroGen su un ampio set di dati pubblicamente disponibile di oltre 6.000 campioni di minerali. Ogni campione include informazioni sulle proprietà del minerale, come la sua composizione elementare e la struttura cristallina. Molti campioni nel set di dati includono anche dati spettrali in diverse modalità, come raggi X, Raman e infrarossi. Di questi campioni, il team ne ha forniti diverse centinaia a SpectroGen, in un processo che ha addestrato lo strumento di intelligenza artificiale, chiamato anche rete neurale, ad apprendere le correlazioni tra le diverse modalità spettrali di un minerale. Questo addestramento ha permesso a SpectroGen di acquisire gli spettri di un materiale in una modalità, come l’infrarosso, e di generare l’aspetto di uno spettro in una modalità completamente diversa, come i raggi X.
Una volta addestrato lo strumento di intelligenza artificiale, i ricercatori del MIT hanno fornito a SpectroGen spettri di un minerale nel set di dati che non era incluso nel processo di addestramento. Hanno chiesto allo strumento di generare spettri in una modalità diversa, sulla base di questi “nuovi” spettri. Hanno scoperto che gli spettri generati dall’intelligenza artificiale corrispondevano molto bene agli spettri reali del minerale, originariamente registrati da uno strumento fisico. I ricercatori hanno condotto test simili con diversi altri minerali e hanno scoperto che lo strumento di intelligenza artificiale generava spettri rapidamente, con una correlazione del 99%.
“Possiamo immettere dati spettrali nella rete e ottenere un altro tipo di dati spettrali completamente diverso, con un’accuratezza molto elevata, in meno di un minuto” afferma il primo autore dello studio Yanmin Zhu.
Il team del Massachusetts Institute of Technology afferma che SpectroGen può generare spettri per qualsiasi tipo di minerale. In un contesto produttivo, per esempio, i materiali a base minerale utilizzati per realizzare semiconduttori e batterie potrebbero essere rapidamente scansionati da un laser a infrarossi. Gli spettri di questa scansione a infrarossi potrebbero essere immessi in SpectroGen, che genererebbe quindi spettri a raggi X, che gli operatori o una piattaforma di intelligenza artificiale multiagente possono analizzare per valutare la qualità del materiale: “Lo considero come un agente o un copilota, che supporta ricercatori, tecnici, pipeline e l’industria. Prevediamo di personalizzarlo per le esigenze dei diversi settori” afferma Tadesse.
Il team sta valutando modi per adattare lo strumento di intelligenza artificiale alla diagnosi delle malattie e al monitoraggio agricolo attraverso un prossimo progetto finanziato da Google. Sta inoltre sviluppando la tecnologia sul campo attraverso una nuova startup e prevede di rendere SpectroGen disponibile per un’ampia gamma di settori, dai prodotti farmaceutici ai semiconduttori, alla difesa.
Foto: Courtesy dei ricercatori
