每一代新的手机显示屏、电视屏幕和太阳能电池板的诞生，都离不开精密的光学实验，这些实验使用激光和其他光源来测量候选材料的光学特性。这些实验可能需要数月才能完成，科学家需要精心调整精密的光源、镜子、相机和其他组件的角度和位置，这种持续调校既繁琐又耗时。
不过，麻省理工学院的科学家表示，构建和运行光学实验的整个过程未来有望实现完全自动化。为了迈向这一目标，他们开发了一种可重新配置的机器人光学实验室。
这套新型机器人实验室能够自主地将标准光学组件组装成所需的配置。随后，它可以以微米级精度调整镜子和透镜的角度与位置，从而产生具有特定属性的光束。该系统还能安全地拆解实验装置，并将各组件重新组装成全新的实验设置。
研究团队展示了该机器人系统能够自主构建并精细调校一个桌面激光腔——这是大多数光学实验的核心元件。该系统还可以精确操控组件来执行多种光学任务，比如让激光束居中、对齐多束激光，以及在受到物理干扰时自动稳定光束。
“我们从随机放置的组件开始，”麻省理工学院电子研究实验室博士后萨钦·瓦迪亚（Sachin Vaidya）说，“最终，我们得到了一台由机器人构建的、功能完备的激光器。”
研究人员正在从物理和虚拟两个层面扩展这个机器人实验室。除了改进系统的物理感知、操作能力和整体空间外，他们还在开发一款基于云端的应用程序，让用户能够虚拟访问这台实体机器人。他们设想，未来来自世界各地的科学家将能够远程访问机器人光学实验室，虚拟提交实验方案或查询请求，实验室随后会自主完成搭建和运行。
“这将带来许多可能性，”麻省理工学院物理学教授马林·索利亚契奇（Marin Soljacic）说，“机器人不会感到厌倦。它可以一年365天、每天24小时从事非常枯燥的工作。这将为科学家腾出大量的创造力和时间，去推进理论研究，探索更多可能性。科学的进步速度将大大加快。”
麻省理工学院团队将于本月晚些时候在智能机器人与系统会议（IROS）上介绍这套新系统的细节。除索利亚契奇和瓦迪亚外，项目团队成员还包括共同负责人崔素友（Seou Choi）、卡约·席尔瓦（Caio Silva）、什里什·乔杜里（Shrish Choudhury），以及来自诺基亚贝尔实验室的谢赫·乌丁（Shiekh Uddin）和亚利桑那州立大学的萨吉布·舒沃（Sajib Shuvo）。
光之城
一个桌面光学实验看起来就像一座由密集排列的镜子、透镜和光源组成的微型城市。科学家们手动排列和对齐各种组件，形成精确的配置，然后向实验装置中射入光线。透镜和镜子将光束反射并聚焦成所需的波长、频率或强度，进而用来探测或操控特定材料。
“有时这种手动搭建过程需要数天甚至数月，具体取决于实验的复杂程度，”索利亚契奇说，“这是一项需要在每个实验中反复进行的细致工作。”
大多数实验室在光学装置中确实已采用了一定程度的自动化，比如通过电动调节器机械转动旋钮来精确调整镜子角度。
“这些组件能够自动完成实验中最繁琐的部分，”瓦迪亚指出，“但此前没有人构建出一套完整的系统，能够将实验从零搭建到完全对齐，全部通过一个工具完成。这正是我们的目标——展示光学实验各个环节的全面自动化。”
自动调校的光学系统
该团队的机器人实验室以一台安装在金属桌面上的机械臂为核心，该机械臂拥有七个可动关节。机器人可以拾取和放置透镜、镜子及其他光学组件，研究人员为每个组件都安装了专属的3D打印塑料外壳。
这些外壳的设计使机器人能够轻松安全地抓取和移动每个组件。研究人员在每个外壳顶部刻上了二维码，其中包含该组件的相关信息（例如它是透镜还是镜子，以及其确切尺寸和性能参数）。每个外壳都配有磁性底座，有助于在机械臂将组件放置到金属桌面上后使其保持稳定。
研究人员设计了一款支持Wi-Fi连接的“精细调节工具”，可以夹装在标准光学组件的支架上。这款电动工具可以通过无线方式控制，用于转动组件的旋钮，例如调整镜子的角度。
“人类进行这种调校时依靠的是手感和大量的直觉，”瓦迪亚说，“这款工具的精度至少与人类相当，但实际上它要精确得多。”
团队还在整个实验装置上方安装了一对摄像头，提供桌面实验的鸟瞰视角。最后，他们开发了一套“软件栈”，即一组程序，使机器人能够完成搭建和持续调校实验的每一个步骤。这些步骤包括识别特定组件、了解如何安全地靠近并拾取它、决定将其移动到何处，以及在移动过程中如何避免与实验装置其他部分发生碰撞。
最后，他们设计了一个简单的虚拟用户界面，使实验人员能够远程指挥机器人。例如，当用户将镜子图标从一个位置拖动到另一个位置并点击确认按钮时，机器人会相应地拾取实际的镜子，并将其放置到桌面上对应的位置。
作为演示，他们指挥机器人将各种组件组装成一个激光腔。激光腔由排列在晶体两侧的两面镜子组成。当一束光射入该装置时，它会在两面镜子之间来回反射。每经过一次反射，光线也会穿过晶体，晶体会放大光的强度，直到逸出的光强度足以形成激光。
“我们希望挑选一个在光学领域具有一定挑战性的演示项目，”共同第一作者、电气工程与计算机科学专业研究生崔素友说，“这不是一个新手在一个下午就能完成的任务，它需要大量的对齐经验和组件操作经验。”
最终，机器人通过自主执行50个操作步骤，在30分钟内成功搭建出一个功能完备的激光腔。当研究人员对该装置引入物理干扰时，例如随机移动桌面上的某个组件，系统会自动重新调整组件，以维持激光强度的稳定。
“即使是微小的振动或温度变化，也可能使光学实验的性能下降，”瓦迪亚说，“一个自主实验室可以持续监测自身的运行状态，并在宝贵数据丢失之前修复对齐偏差。”
研究人员设想，像他们这样的机器人实验室可以与附近的物理组件库配对，由另一台机器人负责取用组件并交付给桌面机器人进行装配。这样的系统能够按需搭建和运行实验，然后拆解并搭建新的实验，或者持续运行需要24小时不间断监测的实验。
“像这样的系统可以帮助企业更快地测试原型产品，涵盖从相机、显示屏到太阳能电池和增强现实/虚拟现实护目镜等各类产品，”瓦迪亚说。
研究人员目前正将这套新的机器人实验室应用于测试具有前景的碳捕获材料。通过向这些材料照射具有特定属性的光线，他们可以获取材料吸收二氧化碳方式的相关信息。
“光学实验是许多重要领域的基石，”瓦迪亚说，“我们的工作为构建能够更快速、更可靠、无需人工干预运行的光学实验室迈出了第一步，而这一领域对实验装置的精度和多样性都有着极高的要求。”
本研究部分资金支持来自韩国高等研究基金会海外博士奖学金、美国国家科学基金会、美国陆军DEVCOM陆军研究实验室陆军研究办公室、帕尔维兹·塔耶巴蒂（Parviz Tayebati）、麻省理工学院本科生研究机会项目（UROP）、麻省理工学院生成式AI影响联盟（MGAIC），以及壳牌国际勘探与生产公司。
Q&A
Q1：机器人光学实验室是什么？它有什么作用？
A：这是麻省理工学院开发的一种可重新配置的机器人系统，能够自主组装光学组件并以微米级精度调整镜子和透镜，从而搭建、运行和拆解光学实验，最终实现光学实验的全自动化。
Q2：这套机器人系统如何完成激光腔的搭建？
A：机器人通过自主执行50个操作步骤，在30分钟内将镜子和晶体等组件组装成功能完备的激光腔，并能在受到物理干扰时自动重新调整组件以维持激光强度稳定。
Q3：这项技术未来可以应用在哪些领域？
A：研究人员表示，该系统可帮助企业更快测试相机、显示屏、太阳能电池、AR/VR护目镜等产品原型，他们自身也在将其用于测试碳捕获材料的光学特性。
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