데이터 및 로봇 기반 재료 과학을 위한 디지털 랩

도쿄대학교 연구진과 공동 연구진은 박막 시료의 재료 합성 및 구조적, 물리적 특성 평가를 완전 자동화하는 디지털 실험실 시스템을 개발했습니다. 이 디지털 실험실(dLab)을 통해 연구팀은 박막 시료를 자율적으로 합성하고 재료 특성을 측정할 수 있습니다. 이 시스템은 데이터 및 로봇 기반 재료 과학을 위한 첨단 자동 및 자율 재료 합성 기술을 보여줍니다.

현재 연구는 Digital Discovery 저널에 게재되었습니다.

머신러닝, 로봇공학, 그리고 데이터는 신소재 발견에 필수적인 요소로 여겨집니다. 그러나 데이터 수집이 필수적인 요소임에도 불구하고, 실험 과정에서 이 부분에는 병목 현상이 존재합니다.

연구진은 고체 물질 연구를 위해 여러 장치가 상호 연결된 디지털 실험실을 구축했습니다. 로봇을 이용하여 합성 과정과 같은 실험 데이터를 수집하고 측정 조건을 포함한 물리적 특성을 측정했습니다.

dLab은 물리적으로 상호 연결된 다양한 모듈형 실험 장비로 구성되어 있습니다. 이를 통해 연구진은 재료 합성부터 표면 미세 구조, X선 회절 패턴, 라만 스펙트럼(산란광을 이용한 화학 분석 기법), 전기 전도도 및 광투과도 측정에 이르기까지 다양한 측정 과정을 완전 자동화할 수 있습니다.

dLab은 두 가지 시스템으로 구성됩니다. 한 시스템은 실험 장비를 통합하여 자동 물질 합성 및 측정을 수행하고, 다른 시스템은 데이터 수집 및 분석을 담당합니다. 각 측정 장비는 MaiML이라는 XML 형식의 데이터 저장소로 데이터를 출력하며, 이 데이터는 클라우드 기반 데이터베이스에 수집됩니다. 이후, 소프트웨어로 분석되어 클라우드에서 활용됩니다.

도쿄대학교 대학원 이학연구과의 타로 히토스기 교수는 "이 시스템이 연구자가 지정한 박막 소재를 자율적으로 합성할 수 있음을 입증했습니다."라고 말했습니다. 그의 연구팀은 dLab을 사용하여 리튬 이온 양극 박막의 자율 합성과 X선 회절 패턴 측정을 통한 구조 평가를 시연했습니다.

최근 몇 년 동안 머신러닝과 로봇공학은 연구자들에게 자동적이고 자율적인 실험을 수행하는 새로운 방법을 제공했습니다. 히토스기는 "오늘날 실험실은 단순히 실험 장비를 보관하는 곳이 아니라, 실험 장비가 하나의 시스템으로 작동하는 재료와 데이터를 생산하는 공장입니다."라고 말했습니다.

머신러닝으로 제어되는 로봇 시스템에 반복적인 실험 작업을 할당함으로써, 연구자들은 수많은 샘플을 합성, 측정 및 분석하여 방대한 데이터를 생성할 수 있습니다. 이러한 데이터 및 로봇 기반 과학은 재료 합성 및 측정 장비의 표준화, 그리고 데이터 수집 자동화와 함께 연구 수행 방식에 큰 영향을 미칠 것입니다.

히토스기는 "저희의 현재 연구는 재료 과학 연구 가속화의 과제를 다루고 있습니다."라고 말했습니다.

"저희의 접근 방식은 연구 과정에서 데이터 활용을 향상시킵니다. 연구자들이 창의력에 집중할 수 있는 연구 환경을 조성하는 것을 목표로 합니다. 머신러닝과 로봇공학을 도입하면 재료 과학이 더욱 발전하고 이론이 심화되며 새로운 소재를 발견할 수 있을 것입니다."

그러나 최근의 발전에도 불구하고 고체 재료 연구의 모듈화 및 표준화는 아직 초보적인 단계에 머물러 있습니다. 이러한 현상의 한 요인은 시료 및 시료 홀더의 모양과 크기에 대한 표준이 확립되어 있지 않다는 것입니다. 고체 재료는 분말 및 벌크 형태를 포함한 다양한 물리적 형태로 존재합니다. 연구자들은 표준화된 시료 모양과 시료 홀더를 필요로 합니다.

또한, 측정 데이터의 통일된 형식도 부족하여 데이터 수집이 복잡해지고 있습니다. 일본분석기기공업회(JAIMA)는 회원사 및 경제산업성과 협력하여 측정분석기기 마크업 언어(MaiML)라는 데이터 형식을 개발했습니다. MaiML은 2024년에 일본공업표준으로 등록되었습니다. 이 표준화된 형식은 데이터 수집 및 사용을 위한 통일된 형식을 제공합니다.

앞으로 연구팀은 오케스트레이션 소프트웨어와 스케줄링을 표준화하여 시스템을 개선하고자 합니다. 이를 통해 연구자들은 재료 탐색 범위를 확장하고 여러 샘플에 대한 작업을 더욱 효율적으로 관리할 수 있을 것입니다. dLab을 활용하여 재료 개발을 가속화하는 것이 연구팀의 목표입니다.

공동 연구자이자 주저자인 도쿄과학연구소 특별 부교수 니시오 카즈노리는 "연구 개발 환경을 디지털화하고, 이러한 기술을 활용할 수 있는 연구자들을 육성하며, 데이터 공유 및 활용을 촉진하는 것이 목표입니다."라고 말했습니다.

"이러한 환경은 연구자들의 창의력을 최대한 발휘할 것입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250514120105.htm