全自動(dòng)機(jī)器人高速檢測(cè)材料關(guān)鍵特性
科技日?qǐng)?bào)北京7月7日電 （記者張夢(mèng)然）美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種全自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，可大幅加快對(duì)新型半導(dǎo)體材料的性能分析和測(cè)試速度。這項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》雜志的技術(shù)突破，將極大提升當(dāng)前對(duì)高效太陽(yáng)能電池板材料的研發(fā)進(jìn)程，還將為下一代高效、環(huán)保電子器件的誕生鋪平道路。
新技術(shù)通過(guò)分析新型半導(dǎo)體光電導(dǎo)性，有望加速更高效太陽(yáng)能電池板的開(kāi)發(fā)。圖片來(lái)源：MIT官網(wǎng)
在尋找更高效的半導(dǎo)體過(guò)程中，人們需要檢測(cè)一種關(guān)鍵電學(xué)特性——光電導(dǎo)性，即材料在光照下的電響應(yīng)能力。目前這一過(guò)程通常依賴(lài)人工操作，效率較低，嚴(yán)重制約了新材料的研發(fā)速度。而新開(kāi)發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)能在無(wú)需人工干預(yù)的情況下自動(dòng)檢測(cè)，速度快而且精度高。
該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于結(jié)合了機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和材料科學(xué)知識(shí)。團(tuán)隊(duì)將人類(lèi)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)融入機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，使機(jī)器人能自主判斷探針接觸材料的最佳位置，從而獲得最豐富的信息。同時(shí)，系統(tǒng)還配備了專(zhuān)門(mén)的路徑規(guī)劃算法，能快速找到在不同接觸點(diǎn)之間移動(dòng)的最優(yōu)路線，顯著提升測(cè)量效率。
整個(gè)檢測(cè)流程從機(jī)器人攝像頭拍攝載玻片上的材料圖像開(kāi)始。隨后，系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)將圖像分割為多個(gè)區(qū)域，并輸入一個(gè)特別設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中。該模型融合了材料科學(xué)家和化學(xué)家的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，能根據(jù)樣品的形狀和成分，識(shí)別出最佳的探針接觸點(diǎn)。
詳細(xì)測(cè)試結(jié)果顯示，相比其他7種基于人工智能的方法，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能在更短時(shí)間內(nèi)找到更精確的接觸點(diǎn)；路徑規(guī)劃算法也始終表現(xiàn)出更優(yōu)的效率。
在完整的24小時(shí)全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人完成了超過(guò)3000次獨(dú)特的光電導(dǎo)檢測(cè)，平均每次檢測(cè)耗時(shí)不到30秒。更重要的是，這些數(shù)據(jù)不僅數(shù)量龐大，而且細(xì)節(jié)豐富，使人們能夠識(shí)別出材料中光電導(dǎo)性較高的“熱點(diǎn)”區(qū)域，以及可能因老化或損傷導(dǎo)致性能下降的部分。
團(tuán)隊(duì)成員表示，能在無(wú)人工干預(yù)的情況下快速收集如此高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，為發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)高性能半導(dǎo)體材料，特別是在太陽(yáng)能電池等可持續(xù)能源領(lǐng)域，帶來(lái)了新的可能性。
檢測(cè)材料的光電導(dǎo)性通常需要經(jīng)驗(yàn)豐富的“老師傅”，但依賴(lài)人工操作，也就意味著效率較低。此次，MIT團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種全自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，可以無(wú)需人工干預(yù)，高速、高精度測(cè)量光電導(dǎo)性。其融合多學(xué)科知識(shí)，還引入了人類(lèi)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，24小時(shí)內(nèi)可以完成超3000次測(cè)量，和人類(lèi)相比堪稱(chēng)神速。它能獲取海量且細(xì)節(jié)豐富的信息，為新型電子器件的快速研發(fā)奠定基礎(chǔ)。它還有望應(yīng)用到其他需要精密測(cè)試的領(lǐng)域，打造人工智能和實(shí)體器件融合的新范式。
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