Procesos industriales diseñados por una inteligencia artificial

Cuando los ingenieros idean nuevas películas metálicas delgadas para su uso en electrónica, óptica o tecnologías cuánticas, suelen pasar meses experimentando con la temperatura, la composición y la duración del proceso, con la esperanza de encontrar la fórmula perfecta. Ahora, unos investigadores han construido un laboratorio autónomo que realiza este trabajo por sí solo, sin intervención humana. El laboratorio, valiéndose de robótica y de inteligencia artificial, decide cada paso de su investigación sin ayuda humana.

El logro es obra de un equipo integrado, entre otros, por Yuanlong Bill Zheng, Shuolong Yang, Connor Blake y Layla Mravae, los cuatro de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular en la Universidad de Chicago, Estados Unidos.

El nuevo sistema automatiza todo el ciclo: realiza experimentos, mide los resultados y luego los introduce en un modelo de aprendizaje automático (una modalidad de inteligencia artificial) que determina cómo debe hacerse el siguiente intento.

El nuevo sistema está especializado en un proceso conocido como deposición física de vapor (PVD, por sus siglas en inglés), en el que un material (por ejemplo plata) se calienta hasta que se vaporiza y luego se condensa formando una capa ultrafina sobre una superficie. La PVD es muy sensible a muchas variables (temperatura, tiempo, materiales y pequeñas diferencias en el entorno), por lo que predecir el resultado de los experimentos ha sido siempre complicado.

Tradicionalmente, los investigadores han ajustado estos parámetros mediante la ejecución de innumerables ciclos de prueba y error, cada uno de los cuales dura un día o más. Zheng y sus colegas se propusieron agilizar este proceso y facilitar la predicción de resultados.

Tres de los miembros del equipo de investigación y desarrollo. De izquierda a derecha: Layla Mravac, Yuanlong Bill Zheng y Connor Blake. (Foto: John Zich)

El equipo comenzó montando desde cero un sistema robótico que pudiera realizar cada paso del proceso de PVD, desde la manipulación de las muestras hasta la medición de las propiedades de una película una vez fabricada. Luego, programaron un algoritmo de aprendizaje automático para predecir los parámetros necesarios para cualquier película delgada deseada, sintetizar y analizar el producto resultante, y ajustar los parámetros hasta que funcionara del modo deseado.

Para poner a prueba al nuevo y singular laboratorio, los investigadores le pidieron que desarrollara películas de plata con propiedades ópticas específicas, una prueba ideal para evaluar la eficiencia del laboratorio, ya que la plata es un material simple y bien conocido por los expertos en PVD pero aún difícil de perfeccionar. El sistema autónomo alcanzó los objetivos deseados en cada caso con un promedio de 2,3 intentos. En total, el laboratorio exploró toda la gama de condiciones experimentales en unas pocas docenas de ejecuciones, algo que normalmente le llevaría a un equipo humano semanas de trabajo intenso.

En total, la construcción desde cero de este laboratorio inteligente y autosuficiente costó menos de 100.000 dólares, un orden de magnitud más barato que el coste de otros intentos previos de construir sistemas autónomos capaces de encontrar los procesos óptimos para la síntesis de películas.

Partiendo de lo conseguido hasta ahora, el equipo espera ampliar su diseño de laboratorio para lograr laboratorios autónomos capaces de trabajar con materiales más complejos, incluidos los que pueden ser aptos para la electrónica de nueva generación y los que podrían utilizarse en dispositivos cuánticos.

Zheng y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo sistema en la revista académica npj Computational Materials, bajo el título “A Self-Driving Physical Vapor Deposition System Making Sample-Specific Decisions on the Fly". (Fuente: NCYT de Amazings)