Исследователи из Beckman Institute for Advanced Science and Technology разработали автоматизированного лабораторного робота Electrolab для проведения электрохимических экспериментов и анализа данных.

Ожидается, что настольный робот Electrolab позволит значительно сократить время и усилия, необходимые для проведения электрохимических исследований, автоматизируя многие базовые и повторяющиеся лабораторные задачи. Он может быть использован для изучения материалов для хранения энергии и химических реакций, способствующих использованию альтернативных и возобновляемых источников энергии.

Междисциплинарная группа работала под руководством профессора химического факультета Хоакина Родригеса-Лопеса и профессора экономики Чарльза Шредера из University of Illinois Urbana-Champaign. Работа «The Electrolab: An open-source, modular platform for automated characterization of redox-active electrolytes» была опубликована в журнале Device.

Один из типов аккумуляторов, известный как проточная редокс батарея , используется для хранения энергии на уровне энергосистемы. По словам Майкла Пенса, аспиранта лаборатории Родригеса-Лопеса, основным недостатком изучения условий работы этих аккумуляторов является то, что на поиск подходящей системы уходит много времени и усилий.

После разработки окончательного дизайна Electrolab исследовательская группа успешно создала и протестировала устройство, которое отличается высокой адаптивностью, изготавливается из распространенных деталей и стоит около $1000. Группа открыто делится чертежами конструкции Electrolab.

Electrolab состоит из двух основных компонентов: аппаратного и программного. Аппаратная часть состоит из стандартной рамы 3D-принтера, которая была преобразована в робота для работы с растворами, массива eChips и электрохимического оборудования. Рама позволяет роботу перемещаться в заданной области над электрохимическими ячейками для дозирования различных жидкостей. Чипы измеряют электрический ток, необходимый для понимания электрохимических измерений.

Программный компонент был создан на языке Python, который позволяет пользователю подключаться к Electrolab для проведения экспериментов. ПО позволяет полностью автоматизировать анализ данных, строить визуальные графики и диаграммы. В сочетании с машинным обучением Electrolab превращается из робота, выполняющего заранее поставленные задачи, в робота, который может принимать решения о направлении эксперимента в процессе его проведения. Обычно электрохимик вручную выбирает интересующие его наборы данных, чтобы двигаться дальше, но Electrolab использует данные, которые он собирает и анализирует в режиме реального времени, чтобы сделать следующий шаг.

В своей недавно опубликованной работе команда исследователей описывает работу Electrolab и сообщает о результатах двух экспериментов, проведенных для проверки точности и надежности робота. Electrolab выполнил более 200 экспериментов в различных условиях, проанализировал данные и даже убрал за собой за 2 часа. Для среднего электрохимика этот эксперимент занял бы около 8 часов.

Во втором эксперименте проверялась способность Electrolab работать в качестве специалиста. Запрограммированная на изучение материала для проточных батарей нового поколения в гораздо более требовательном эксперименте по поиску поддерживающих растворов электролитов, лаборатория Electrolab была модифицирована более мелкими и чувствительными электродами и настроена на полностью автономную работу. Она выполнила поставленные задачи менее чем за 4 часа без вмешательства человека, что позволило исследователям работать над другими проектами.