人類研究人員將永遠在科學(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。美國阿貢國家實驗室最近的發(fā)展表明，應(yīng)該讓機器人做一些工作，研究人員稱之為“自主發(fā)現(xiàn)”，該實驗室希望依靠由人工智能軟件編程的多功能物理機器人來提高科學(xué)生產(chǎn)力。

阿貢國家實驗室的計算機科學(xué)家和生物信息學(xué)家Casey Stone最近在阿貢國家實驗室的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)束后接受采訪時說:“自主發(fā)現(xiàn)將有助于科學(xué)家進行更多的實驗，更快地得出結(jié)果。”“在復(fù)雜和大規(guī)模的實驗中，機器人可以整夜進行工作，并且可以在同一機器人的多個副本上并行進行實驗。這將解放科學(xué)家的時間，使他們能夠?qū)Ｗ⒂谔岢銎渌麆?chuàng)造性的解決方案，或者將實驗室時間集中在可能導(dǎo)致新假設(shè)的小規(guī)模研究上。”

幾十年來，科幻小說作家們一直癡迷于機器人從事繁重或無聊重復(fù)工作的概念，但真正實現(xiàn)這一目標并非易事。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，阿貢國家實驗室的科學(xué)家們正在研究跨越許多實驗領(lǐng)域的復(fù)雜問題，因此他們需要機器人盡可能靈活，以適應(yīng)不斷變化的實驗需求。

對于硬件，阿貢實驗室將每個機器人儀器放在小推車上。每個小車包含所有需要的計算能力和傳感器從而使儀器工作，并確保它的功能設(shè)計。這個系統(tǒng)的美妙之處在于每個儀器都是獨立的，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。如果一個特定的機器人在這個過程中花費的時間太長，研究人員可以將更多的同類機器人連接到系統(tǒng)中，同時執(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。她談到了未來的實驗室，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)實驗的需要自行滾動成隊形。”“在這種情況下，我們可以利用優(yōu)化算法以最佳方式安排儀器，以盡快完成實驗。”

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液體搬運機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)置機器人實驗室，因為研究人員只需要為他們當(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行所需的計算機/傳感器的組合稱為模塊。Stone表示，模塊是一個獨立的單元，可以像樂高積木一樣從整個機器人實驗室中添加或移除。

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，然后指示命令何時完成。然后，REST API服務(wù)器以正確的順序處理實驗操作到儀器的分布。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立的，服務(wù)器負責(zé)將它們整合在一起。”“如果你刪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)重新啟動并運行。”

Stone還指出，這些資源被設(shè)計得既通用又有效，阿貢國家實驗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驗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強調(diào)了這項工作的集體主義性質(zhì)。

Stone說:“作為一個國家實驗室，我們的目標是進行發(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。”“我們努力讓科學(xué)進步變得觸手可及，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。”

阿貢國家實驗室的科學(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，并以其他人的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)。