人工智慧系統 TEM Agent 助力電子顯微鏡実験簡化と加速

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世界で最も強力な電子顕微鏡の一つを運用するには数週間のトレーニングが必要である。ローレンス・バークレー国立研究所では、研究者たちは今や簡単な英語で実験を説明し、人工知能エージェントに操作を任せることができる。このTEM Agentと呼ばれるシステムは、アメリカ合衆国エネルギー省の分子工場で構築されており、同施設はバークレー研究所に位置している。このシステムは透過電子顕微鏡を制御しており、この装置は材料中の原子の具体的な位置を示すことができ、材料の強度、電導率、バッテリーのエネルギー貯蔵能力、さらには薬物が細胞とどのように結合するかを決定する。

分子工場の顕微鏡は約半個の水素原子サイズの構造をイメージングすることができ、大学や企業の科学者たちはこれらの設備を使用するために訪れる。学習曲線は非常に急であり、訪問する研究者の中にはすでに1学期の電子顕微鏡コースを修了している者もいるが、それでも数週間の実践トレーニングが必要である。専門家であってもデータ処理に困難を抱えることがある：1つの検出器は15秒で約700GBのデータを生成し、この速度は手動処理の能力をはるかに超えている。そのため、ボトルネックが生じている。設備はますます強力になっているが、熟練して操作し分析できる人の数は追いついていない。

AIが電子顕微鏡の効率を向上させる

チームはすでに大量のナノ粒子をイメージングするなどの繰り返し作業を処理するための自動化されたルーチンを持っている。しかし、この研究の責任者であるピーター・エリウスが述べるように、これらのプログラムは工場の生産ラインのように、あらかじめ設定されたプログラムに従って実行され、予期しない状況が発生すると中断し、非機械工学者によって修正することができない。チームは再構築するのではなく、モデルコンテキストプロトコルを用いてこれらのプログラムを再編成することを決定した。これはオープンスタンダードであり、人工知能に固定された具体的なプリセット操作のセットを提供するもので、オープンコントロールではない。このツールキットを使って、TEM Agentはステップを連結することができ、プログラムされていない要求に対しても対応できる。

研究者は簡単な英語で実験を説明し、エージェントは必要に応じて倍率を調整し、サンプルを傾け、ビームを再焦点化し、数十の小さなステップをリンクする。チームは電子断層撮影でこのシステムをテストし、この技術は傾斜した画像からサンプルの3Dビューを再構築するもので、通常は数時間を要する。最初、エージェントはサンプルの回転とスキャン方向の回転を混同したが、短い書面の説明がこの問題を解決した。分子工場の研究科学者であるステファニー・リベットは、その後、位相回折など、設定にかなりの専門知識を必要とする技術のより実験的な領域に進めた。

自然言語インターフェースがコミュニケーションを促進

人工知能を科学ハードウェアに接続することは、文献やデータパイプラインに接続するよりも挑戦的であるとリベットは述べており、このプロトコルはチームに両者を橋渡しする方法を提供する。エージェントはまた、エネルギー省のスーパーコンピュータ施設である国家エネルギー研究科学計算センターや、実験のメタデータを整理する分子工場のデータプラットフォームCrucibleに接続されている。原データは数秒で処理され、研究者は数週間前にサンプルに使用した設定を尋ねることができ、文書やノートをめくる必要がない。

クルーシブルの開発責任者であるモーガン・ウォールは、ユーザーが5台のコンピュータ上で5つのスクリプトを同時に操作するのではなく、自然言語でインターフェースを通じてコミュニケーションを行うことができると述べた。このアプローチは、オープンインターフェースを持つ他の機器にも拡張可能であり、ウォールのチームは他のナノスケール研究センターがクルーシブルを採用するのを支援している。このリリースは、目標は専門知識を置き換えることではなく、拡張することであり、新人と経験豊富な研究者にアイデアから実験までのより迅速な道を提供することであると述べている。エリウスは、このようなアシスタントがこの作業を民主化することを期待している。この研究はエネルギー省科学局の支援を受けており、その成果は期刊npj Computational Materialsに発表された。