NIMS-OS: An automation software to implement a closed loop between artificial intelligence and robotic experiments in materials science
إن NIMS-OS عبارة عن مكتبة بايثون وتطبيق واجهة مستخدم رسومية مفتوح المصدر يتيح إجراء أبحاث مواد مؤتمتة بالكامل وذات حلقة مغلقة من خلال دمج خوارزميات الذكاء الاصطنا-عي المتنوعة مع أنظمة تجريبية روبوتية مثل NAREE لاكتشاف مواد جديدة ذاتياً مثل الإلكتروليتات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك تحاول العثور على الوصفة المثالية لكعكة، ولكن بدلاً من المطبخ، لديك مكتبة ضخمة تحتوي على 4,000 مزيج مختلف من المكونات. يمكن لطاهٍ بشري أن يجرب بعضها، ويخمن ما قد ينجح، ثم يحاول مجدداً، لكن الأمر سيستغرق سنوات للعثور على الأفضل على الإطلاق.
الآن تخيل أن لديك روبوت طاهٍ فائق الذكاء وناقداً عبقرياً لا ينام أبداً، ولا يتعب، ولا يرتكب الأخطاء. هذا هو بالضبط ما يصفه العمل الخاص بـ "NIMS-OS"، ولكن لاكتشاف مواد جديدة (مثل سوائل البطاريات الأفضل) بدلاً من الكعك.
إليك تفصيل بسيط لكيفية عمل هذا النظام:
المشكلة: "إبرة في كومة قش"
في علم المواد، يسعى العلماء لإيجاد أفضل مزيج من المواد الكيميائية لجعل أشياء مثل البطاريات تعمل بشكل أفضل. هناك الكثير من التوليفات الممكنة لدرجة أنه من المستحيل اختبارها جميعاً يدوياً. الأمر يشبه محاولة العثور على إبرة محددة في كومة قش بحجم جبل.
الحل: NIMS-OS (الـ "مايسترو")
طوّر المؤلفون نظام برمجياً يسمى NIMS-OS (نظام تنسيق NIMS). فكر في هذا البرنامج كأنه مايسترو في أوركسترا.
- العازفون: لديك "خوارزميات ذكاء اصطناعي" متنوعة (النقاد الأذكياء) و"أذرع روبوتية" (الطهاة الروبوتيون).
- المايسترو: يقوم NIMS-OS بإخبار الذكاء الاصطناعي متى يقترح اقتراحاً، ويخبر الروبوت متى يخلط المواد الكيميائية. إنه يربط بينهما ليعملا معاً في دورة مثالية دون الحاجة إلى تدخل بشري للضغط على الأزرار.
كيف تعمل الدورة (الرقصة ذات الخطوات الثلاث)
يعمل النظام في دورة مستمرة، مثل لعبة "ساخن وبارد":
- التخمين (الذكاء الاصطناعي): ينظر الذكاء الاصطناعي إلى قائمة بجميع وصفات المواد الكيميائية الممكنة (ملف المرشحين). وبناءً على ما تعلمه حتى الآن، يختار أكثر الوصفات واعدة لتجربتها تالياً.
- التشبيه: الذكال الاصطناعي يشبه المحقق الذي يقول: "بناءً على الأدلة، من المرجح أن يكون الجاني في هذا الحي. دعونا نفحص هذه المنازل الثلاثة أولاً".
- الفعل (الروبوت): يرسل البرنامج إشارة إلى الروبوت. يقوم الروبوت تلقائياً بخلط المواد الكيميائية، ووضعها في خلية اختبار، وإجراء التجربة.
- التشبيه: الروبوت هو شريك المحقق الذي يذهب بالفعل إلى المنازل ويطرق الأبواب.
- النتيجة (التحديث): ينهي الروبوت الاختبار ويرسل البيانات مرة أخرى. يقوم البرنامج بتحديث القائمة وتحديد أي الوصفات نجحت جيداً وأيها لم تنجح. ثم ينظر الذكاء الاصطناعي إلى البيانات الجديدة ويختار أفضل التخمينات التالية.
- التشبيه: يعود الشريك ويقول: "المنزل (أ) كان فارغاً، لكن المنزل (ب) كان يحتوي على دليل!". يستخدم المحقق هذه المعلومة الجديدة لاختيار المنزل التالي الذي يجب فحصه.
الأدوات الموجودة في صندوق الأدوات
يوضح العمل أن NIMS-OS مرن. يمكنك استبدال "العازفين" في الأوركسترا:
- أدمغة ذكاء اصطناعي مختلفة: يمكنك استخدام أنواع مختلفة من منطق الذكاء الاصطناعي. بعضها جيد في إيجاد القمة المطلقة (التحسين البايزي - Bayesian Optimization)، وبعضها جيد في استكشاف المناطق الغريبة وغير المعروفة (الاستكشاف بلا حدود - Boundless Exploration)، وبعضها جيد في رسم خرائط لمناظر طبيعية كاملة (مخططات الطور - Phase Diagrams).
- أيدٍ روبوتية مختلفة: يمكنك توصيل روبوتات مختلفة. اختبر المؤلفون النظام مع نظام محدد يسمى NAREE، وهو روبوت مصمم لخلط السوائل واختبار سوائل البطاريات تلقائياً.
الاختبار في العالم الحقيقي: رحلة البحث عن البطارية
لإثبات نجاحه، استخدم الفريق NIMS-OS للبحث عن إلكتروليت (السائل الموجود في البطارية) أفضل لبطاريات الليثيوم-معدن.
- الإعداد: كان لديهم 16 مادة مضافة كيميائية مختلفة للاختيار من بينها. أرادوا إيجاد أفضل مزيج من 5 مواد مضافة.
- العملية:
- أولاً، جرب الروبوت 32 مزيجاً بشكل عشوائي، فقط للحصول على بيانات أولية (مثل تجربة بعض الكعكات العشوائية).
- بعد ذلك، تولى الذكاء الاصطناعي زمام الأمور. قام بتحليل النتائج وأخبر الروبوت بالضبط أي 32 مزيجاً يجب تجربتها تالياً.
- حدث هذا تلقائياً لمدة 10 ساعات متواصلة، دون أن يلمس أي إنسان أي شيء.
- النتيجة: بحلول جولة الاختبار السابعة، وجد النظام وصفة تتفوق بشكل ملحوظ على غيرها. لقد اكتشف أن مزيجاً من مواد كيميائية محددة (مثل VC و FEC) يعمل بشكل أفضل، وهو ما يتوافق مع ما يعرفه الخبراء البشريون بالفعل، ولكن الروبوت وجده بشكل أسرع بكثير ودون تعب.
لماذا هذا مهم
يجادل العمل بأن الاختراق الأكبر ليس مجرد الروبوت أو الذكاء الاصطناعي وحده، بل هو البرنامج الذي يربط بينهما.
- النمطية (Standardization): سابقاً، كان على كل مختبر كتابة كوده الخاص لربط روبوته المحدد بذكائه الاصطناعي المحدد. يوفر NIMS-OS نظام "التوصيل والتشغيل" (plug-and-play) عالمي.
- لا أخطاء بشرية: بما أن الدورة مغلقة، فإن الروبوت لا يتعب والذكاء الاصطناعي لا يتشتت. إنه يستمر ببساطة في التحسين حتى تكتمل المهمة.
باختاً، NIMS-OS هو جهاز تحكم عن بعد عالمي يسمح لعقل حاسوبي بالتحدث مع جسد روبوتي لكي يكتشفا مواد جديدة بشكل مستقل، على مدار الساعة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.