人類研究人員將永遠(yuǎn)在科學(xué)中發(fā)揮作用，但人類在探索科學(xué)方面有許多局限，我們需要吃飯和睡覺，我們的情緒會影響行為，我們的身體很容易受到不可挽回的傷害——所有這些都可能阻礙科學(xué)成就。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室最近的發(fā)展表明，應(yīng)該讓機(jī)器人做一些工作，研究人員稱之為“自主發(fā)現(xiàn)”，該實(shí)驗(yàn)室希望依靠由人工智能軟件編程的多功能物理機(jī)器人來提高科學(xué)生產(chǎn)力。

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)科學(xué)家和生物信息學(xué)家Casey Stone最近在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的Outloud會議上發(fā)表了關(guān)于自主發(fā)現(xiàn)的演講。

Stone在演講結(jié)束后接受采訪時(shí)說:“自主發(fā)現(xiàn)將有助于科學(xué)家進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，更快地得出結(jié)果?！薄霸趶?fù)雜和大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人可以整夜進(jìn)行工作，并且可以在同一機(jī)器人的多個副本上并行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這將解放科學(xué)家的時(shí)間，使他們能夠?qū)Ｗ⒂谔岢銎渌麆?chuàng)造性的解決方案，或者將實(shí)驗(yàn)室時(shí)間集中在可能導(dǎo)致新假設(shè)的小規(guī)模研究上?！?/span>

幾十年來，科幻小說作家們一直癡迷于機(jī)器人從事繁重或無聊重復(fù)工作的概念，但真正實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并非易事。Stone概述了研究人員目前面臨的挑戰(zhàn)以及自主發(fā)現(xiàn)帶來的機(jī)遇。

軟件和硬件模塊化

想要深入自主發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家面臨的主要挑戰(zhàn)之一是所涉及的軟件和硬件都需要大量的模塊化。Stone指出，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在研究跨越許多實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的復(fù)雜問題，因此他們需要機(jī)器人盡可能靈活，以適應(yīng)不斷變化的實(shí)驗(yàn)需求。

對于硬件，阿貢實(shí)驗(yàn)室將每個機(jī)器人儀器放在小推車上。每個小車包含所有需要的計(jì)算能力和傳感器從而使儀器工作，并確保它的功能設(shè)計(jì)。這個系統(tǒng)的美妙之處在于每個儀器都是獨(dú)立的，所以科學(xué)家們可以把小推車從其他儀器上卸下來，然后把另一個儀器裝上去，而不會干擾系統(tǒng)的其余部分。

這種模塊化也允許科學(xué)家使用更多類型的所需儀器。如果一個特定的機(jī)器人在這個過程中花費(fèi)的時(shí)間太長，研究人員可以將更多的同類機(jī)器人連接到系統(tǒng)中，同時(shí)執(zhí)行操作來提高速度。

Stone表示，目前的小推車系統(tǒng)只是硬件模式的第一次迭代。她談到了未來的實(shí)驗(yàn)室，在那里人類不需要自己把儀器放好。“相反，這些儀器位于移動平臺上，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要自行滾動成隊(duì)形?！薄霸谶@種情況下，我們可以利用優(yōu)化算法以最佳方式安排儀器，以盡快完成實(shí)驗(yàn)?！?/span>

對于軟件，Stone表示，每個儀器的代碼都包含在Argonne的AD-SDL GitHub存儲庫中。例如，控制PF400機(jī)械臂所需的所有代碼都可以在這里找到，而控制OT-2液體搬運(yùn)機(jī)器人所需的所有代碼也都在這里。

將每種儀器的代碼分開，可以更容易地設(shè)置機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)檠芯咳藛T只需要為他們當(dāng)前想要使用的儀器設(shè)置相關(guān)的代碼。

儀器本身、來自GitHub存儲庫的相關(guān)代碼以及允許儀器運(yùn)行所需的計(jì)算機(jī)/傳感器的組合稱為模塊。Stone表示，模塊是一個獨(dú)立的單元，可以像樂高積木一樣從整個機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室中添加或移除。

每個模塊向系統(tǒng)的其余部分傳播某些信息——比如它能夠完成什么操作，它是否準(zhǔn)備好接收命令，以及它有什么可用的資源。每個模塊都可以接收命令，執(zhí)行命令，然后指示命令何時(shí)完成。然后，REST API服務(wù)器以正確的順序處理實(shí)驗(yàn)操作到儀器的分布。服務(wù)器等待每個命令完成后再發(fā)送下一個命令。

Stone說:“這樣，每臺儀器的功能都是完全獨(dú)立的，服務(wù)器負(fù)責(zé)將它們整合在一起?！薄叭绻銊h除一個儀器并用其他儀器代替它，只需要很少的代碼更改就可以使系統(tǒng)重新啟動并運(yùn)行?！?/span>

Stone還指出，這些資源被設(shè)計(jì)得既通用又有效，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在努力消除盡可能多的障礙。這種共享資源的心態(tài)直接影響了阿貢國家實(shí)驗(yàn)室自主研究工作的核心。阿貢在這里開發(fā)的所有軟件都是開源的，Stone強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)工作的集體主義性質(zhì)。

Stone說:“作為一個國家實(shí)驗(yàn)室，我們的目標(biāo)是進(jìn)行發(fā)現(xiàn)并推動創(chuàng)新，而不是從我們的科學(xué)發(fā)現(xiàn)中獲利?！薄拔覀兣ψ尶茖W(xué)進(jìn)步變得觸手可及，并使我們周圍的社區(qū)受益。使我們的代碼開放源代碼使其他團(tuán)體能夠?qū)⒆詣影l(fā)現(xiàn)引入他們的科學(xué)過程，即使他們可能沒有資金支付更昂貴的科學(xué)儀器集成專有解決方案?！?/span>

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們通過幫助他人也幫助自己。通過將此代碼開源，研究人員可以圍繞機(jī)器人和儀器集成開發(fā)一個集體知識庫。任何使用此代碼的科學(xué)家都可以為相同的軟件堆棧做出貢獻(xiàn)，并以其他人的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)。