Automatizovaná laboratoř urychluje vývoj materiálů

E-MAP sestává z uzavřeného systému, ve kterém jsou roboticky automatizované materiálové experimenty prováděny za ochranné atmosféry. (Obrázek: Holger Röhm, KIT)

Systematicky zkoumat, hodnotit a cíleně dále rozvíjet tisíce variant materiálů – to umožňuje nová platforma pro urychlení vývoje energetických materiálů (E-MAP) na Karlsruher Institutu für Technologie (KIT). Spojuje automatizované experimenty s přesnou charakterizací materiálů a vytváří tak základ pro zrychlený vývoj energetických materiálů.

Pro nové funkční materiály je často nutné otestovat řadu různých kombinací materiálů. Tradiční experimenty rychle narazí na hranice, pokud je třeba porovnat mnoho variant. Nová platforma pro urychlení vývoje energetických materiálů (E-MAP) na KIT proto automatizuje klíčové kroky v laboratoři. „Robotické systémy mimo jiné připravují materiály, manipulují s vzorky, nanášejí tenké vrstvy a jejich charakterizují,“ říká Dr. Holger Röhm z Lichttechnisches Institut (LTI) KIT, jehož výzkumný tým platformu vybudoval. „Díky tomu lze provádět experimenty s vysokou přesností a reprodukovatelností. S E-MAP můžeme rychleji zjistit, které složení materiálů a výrobní podmínky jsou pro konkrétní použití obzvlášť slibné.“

Modulární konstrukce a flexibilní rozšiřitelnost

Platforma je integrována do uzavřeného systému. Díky tomu je možné zpracovávat i citlivé materiály za kontrolovaných podmínek.

Platforma vyrábí tenké vrstvy z rozpouštědlových výchozích materiálů. Mikrofluidní systém umožňuje automatizovanou výrobu a formulaci polovodičových taveb. Výzkumníci platformu průběžně rozšiřují o další metody charakterizace tenkých vrstev. „Hlavní výhodou E-MAP je její modulární konstrukce,“ říká profesor Alexander Colsmann z LTI KIT. „Můžeme integrovat nové experimenty a metody charakterizace a platformu tak přizpůsobit různým vědeckým otázkám. Do spolupráce mohou přispět i partneři z vědy a průmyslu svými vlastními metodami a zařízeními.“

Od automatizovaných experimentů k AI-podpořenému vývoji materiálů

S automatizací vznikají velké objemy experimentálních dat. Výzkumníci je chtějí v budoucnu analyzovat pomocí metod umělé inteligence. Tak lze již v virtuálních simulacích identifikovat slibné kombinace materiálů a řídit autonomní nebo poloautonomní screeningové procesy. Za tímto účelem integrují různé automatizované výzkumné platformy. „Když jsou spojeny syntéza, zpracování, charakterizace a vyhodnocování dat, vzniká výzkumný proces, ve kterém můžeme experimenty stále více plánovat a provádět na základě dat,“ říká Röhm.

O platformě E-MAP

Platforma pro urychlení vývoje energetických materiálů (E-MAP) je samostatná výzkumná platforma s autonomním řízením (Self-Driving Lab, SDL), tedy z velké části autonomní výzkumná platforma. Takové SDL jsou klíčovou součástí německé HighTech agendy. Výstavba E-MAP začala v roce 2023. Na technické vybavení platformy dosud KIT vyčlenil přibližně 600 000 eur. Vývoj podpořila v posledních letech Nadace Carl-Zeiss v rámci výzkumného projektu KeraSolar. E-MAP je začleněna do plánované Helmholtz Acceleration Alliance (HELMA), která má propojit autonomní výzkumné platformy v materiálových a životních vědách napříč několika Helmholtzovými centry.