太阳能是对抗气候变化的关键，但利用它是困难的。在目前的太阳能电池板中，通常只有20%的可用能量转化为电能。北卡罗来纳州立大学的一位教授正在领导更有效的太阳能电池板电池的开发，这样这种可再生能源就可以取代日益减少的化石燃料。与此同时，这项工作也为科学、技术、工程和数学领域的研究提供了更便捷的途径。
在2010年代，亚兰Amassian他是材料科学与工程系的教授，开创了用墨水涂覆材料的新工艺。这些原位实验使研究人员能够在墨水制作过程中收集有关其功能的数据，而不是在墨水成型后。通过这种方式，研究人员可以更精确地确定何时以及如何干预以控制材料的各种特性。这种墨水本质上可以被编辑得更接近实时。现在，Amassian的实验室正在进行这样的实验原位利用人工智能和机器人技术开发高效太阳能电池板材料的实验。
“我们需要迅速行动，比气候变化发生的速度更快地开发技术，”Amassian说。“要做到这一点，我们需要改变发现新材料、创造新解决方案和部署新技术的方式。”
跨学科对Amassian的工作至关重要。他的实验室将电气和计算机工程集成到材料科学中，开发人工智能机器人，帮助进行太阳能研究。这些机器人可以自动混合、应用和评估能够更好地将太阳能转化为电能的解决方案，加速创新材料的开发。
“我们试图解决的这些问题真的很复杂，”Amassian说。“在某种程度上，它们超出了一个人或一个学科的能力，需要数据科学。”
佟辉“托尼”王，博士研究生材料科学与工程系“，和内森·伍德沃德(Nathan Woodward)电气与计算机工程系“，是这项机器人计划的驱动力。Wang于2018年加入Amassian实验室，开发了第一代机器人工具，用于生成太阳能材料结构和特性的大型数据集。伍德沃德于2019年加入实验室，通过建造自主决策和执行某些任务的机器人，提高了实验室的能力。
伍德沃德的电气工程背景并不是他给材料科学实验室带来的唯一不同视角。作为一名肌肉萎缩症患者，伍德沃德必须应对生活在一个难以接近的世界中的挑战。
“残疾人是天生的工程师，因为我们每天都要解决问题，”他说。
在自动化他们的研究过程中，Amassian、Wang、Woodward和实验室的其他成员正在建立一种比目前的实践更少劳动密集型的方法。机器每次都以相同的方式完成重复的任务，并记录所有数据。这意味着科学家可以花更少的时间混合、移液、涂层和测试，而花更多的时间和精力去发现、解决问题和创新。
Amassian说:“我们很高兴能开发出同伴，帮助学生和研究人员在实验室里变得更有效率。”“今天，我们要求博士生和候选人从早到晚做大量的基本手工工作，混合和清洁。在数据时代，我们越来越多地要求学生将他们所做的一切都记录到数据库中，这可能会消耗大量的时间。有了实验室的自动化，我们可以让一个受过高等教育、训练有素的博士科学家，用他们更多的智慧来解决复杂的问题，而不是这些任务。”
该团队对跨学科的关注正在帮助其成员成长为科学家和工程师。伍德沃德在开发机器人平台时研究了材料加工的复杂性。除了在材料科学的基础上，王还学习了更多关于软件和数据科学的知识。这样的合作可以改变材料研究的格局。
“在材料科学中，我们思考这些问题的经典方式是使用试错法，”王说。“但自从向自动化和数字化发展以来，我们开始在研究中使用大数据科学方法和规划。我们可以轻松地访问更大的参数空间，数据可以在瞬间获得。使用机器人技术和人工智能可以解决更复杂的问题，帮助我们迈向更智能的生活。”
除了对材料科学和太阳能的贡献外，该实验室可能会产生更大的影响。伍德沃德亲自向阿马西安展示了身体残疾人士面临的挑战，这些挑战延伸到了研究实验室。这对搭档一直致力于让Amassian的实验室更容易进入，他们希望在实验室中使用机器人的努力将为更容易进入的研究机会铺平道路。
伍德沃德说:“一开始，STEM领域的残疾人数量非常少，从本科课程到博士课程的残疾人数量甚至更少。”“这有可能让那些身体缺陷比我大的人在科学领域追求令人满意的职业。”
