인공 지능 시스템, 개별 분자 이동 가능

율리히와 베를린의 과학자들은 스캐닝 터널링 현미경을 사용하여 개별 분자를 자율적으로 이동시키는 인공 지능 시스템을 개발했습니다. 원자와 분자는 거시적 객체와 같이 작용하지 않기 때문에 각 빌딩 블록은 이동을 위해 자신의 시스템이 필요합니다.

새로운 방법은 과학자들이 분자 3D 프린팅과 같은 연구 및 생산 기술에서 사용할 수 있다고 믿으며, Science Advances에 발표되었습니다.

3D 프린팅

초고속 프로토タイ핑, 즉 3D 프린팅은 프로토タイプ 또는 모델을 생성할 때 매우 비용 효율적입니다. 이 기술은 지속적으로 개선되어 산업에서 주요 도구로 사용되고 있습니다.

크리스티안 바그너 박사는 율리히 연구 센터에서 분자 조작에 관한 ERC 워킹 그룹의 책임자입니다.

“이 개념을 나노 스케일로 전환하여 개별 분자를 LEGO 블록처럼 특정하게 조합하거나 분리할 수 있다면, 약 1060가지의 분자 조작이 가능해질 것입니다,” 바그너는 말합니다.

개별 “레시피”

주요 도전은 스캐닝 터널링 현미경이 개별 분자를 앞뒤로 이동시키기 위한 개별 “레시피”입니다. 이러한 레시피는 현미경의 팁이 분자를 공간적으로 목표적으로 배열하기 위해 필요합니다.

레시피는 계산하거나 직관적으로 추론할 수 없습니다. 이는 나노 스케일에서 기계가 복잡하기 때문입니다. 현미경은 팁에 있는刚性 콘을 사용하며, 분자는 이를 약간 붙잡고 있습니다. 분자가 이동하기 위해서는 복잡한 운동 패턴이 필요합니다.

슈테판 타우츠 교수는 율리히의 양자 나노과학 연구소의 책임자입니다.

“현재까지는 이러한 분자의 목표적인 이동이 수동으로만 가능했습니다. 그러나 자율적인 소프트웨어 제어 시스템의 도움으로, 우리는 처음으로 나노 스케일에서 다양성과 가변성을 해결하고 이 과정을 자동화하는 데 성공했습니다,” 타우츠는 말합니다.

강화 학습

이 개발의 기본적인 측면은 강화 학습입니다. 이는 알고리즘이 반복적으로 작업을 시도하고 각 시도에서 학습하는 유형의 기계 학습입니다.

클라우스-로베르트 뮐러 교수는 베를린 공과 대학의 기계 학습 부문의 책임자입니다.

“우리는 소프트웨어 에이전트에게 해결 경로를 지정하지 않습니다. 대신, 성공을 보상하고 실패를 처벌합니다,” 그는 말합니다.

“우리의 경우, 에이전트는 복잡한 화학 결합으로 유지되는 계층에서 개별 분자를 제거하는 작업을 받았습니다. 구체적으로, 이는 페릴렌 분자였으며, 이는 색料와 유기 발광 다이오드에서 사용됩니다,” 크리스티안 바그너는 추가합니다.

분자를 이동시키기 위한力的 한계는 결합의 강度를 초과할 수 없습니다.

“현미경의 팁은 특수한 운동 패턴을 수행해야 합니다. 이전에는 수동으로 이러한 패턴을 발견해야 했습니다,” 바그너는 말합니다.

강화 학습은 소프트웨어 에이전트가 어떤 운동이 효과적인지 학습하는 데 사용됩니다. 이 학습은 계속해서 개선됩니다.

그러나 스캐닝 터널링 현미경의 팁은 금속 원자로 구성되어 있으며, 이는 변형될 수 있습니다. 이는 분자와의 결합 강도를 변경합니다.

“매번 새로운 시도는 결합의 변형 및 분자와 팁 사이의 결합의 파괴의 위험을 증가시킵니다. 따라서 소프트웨어 에이전트는 특히 빠르게 학습해야 합니다. 왜냐하면 그의 경험은 언제든지 구식이 될 수 있기 때문입니다,” 슈테판 타우츠는 말합니다. “이것은 자동차를 운전하는 것과 같습니다. 도로 네트워크, 교통 규칙, 차체, 운전 규칙이 모두不断으로 변경됩니다.”

이를 극복하기 위해, 연구자들은 소프트웨어를 개발하여 초기 사이클과 동시에 환경에 대한 간단한 모델을 학습하도록 했습니다. 학습 과정을 가속화하기 위해, 에이전트는 실제와 자신의 모델에서 동시에 훈련합니다.

“이것은 인공 지능과 나노 기술을 처음으로 결합한 것입니다,” 클라우스-로베르트 뮐러는 말합니다.

“현재까지는 이것이 ‘proof of principle’에 불과했습니다,” 타우츠는 계속합니다. “그러나 우리는 우리의 연구가 분자 트랜지스터, 메모리 셀, 또는 큐비트와 같은 기능적인 초분자 구조의 로봇 지원 자동 구성을 위한 길을 열어줄 것이라고 확신합니다. 이로 인해 현재 가능한 것보다 훨씬 더 빠르고, 정밀하고, 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있을 것입니다.”

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