[论文解读] ORGANA: A Robotic Assistant for Automated Chemistry Experimentation and Characterization

Kourosh Darvish, Marta Skreta+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2024

Innovative Microfluidic and Catalytic Techniques Innovation被引用 20

一句话总结

Organa 是一个模块化机器人系统，利用 LLMs 进行自然语言交互、并行任务规划和自动报告，在溶解度、pH、再结晶和电化学（包括自动化中的电极抛光）方面有所演示。

ABSTRACT

Chemistry experiments can be resource- and labor-intensive, often requiring manual tasks like polishing electrodes in electrochemistry. Traditional lab automation infrastructure faces challenges adapting to new experiments. To address this, we introduce ORGANA, an assistive robotic system that automates diverse chemistry experiments using decision-making and perception tools. It makes decisions with chemists in the loop to control robots and lab devices. ORGANA interacts with chemists using Large Language Models (LLMs) to derive experiment goals, handle disambiguation, and provide experiment logs. ORGANA plans and executes complex tasks with visual feedback, while supporting scheduling and parallel task execution. We demonstrate ORGANA's capabilities in solubility, pH measurement, recrystallization, and electrochemistry experiments. In electrochemistry, it executes a 19-step plan in parallel to characterize quinone derivatives for flow batteries. Our user study shows ORGANA reduces frustration and physical demand by over 50%, with users saving an average of 80.3% of their time when using it.

研究动机与目标

• 在自驱动实验室（SDLs）中实现多样化化学实验的灵活、用户友好自动化。
• 整合基于 LLM 的推理，将化学家的意图转化为可执行计划并提供反馈。
• 开发带调度的并行任务与运动规划，以提高吞吐量和资源利用。
• 引入感知能力以定标场景对象并监控实验进展。
• 自动化数据分析并生成全面的实验报告。

提出的方法

• LLM 驱动的推理器通过 CLAIRify 将化学家的意图转换为化学任务描述和结构化的 XDL 计划。
• Temporal-PDDLStream 求解器实现同时的任务、运动规划和调度，具有时变成本和持续行动。
• 感知流水线结合 GroundDINO、SAM 和深度数据，以检测并估计透明/不透明对象的姿态并监控进展（例如通过视觉测量混浊度）。
• 机器人技能包括抓取/放置、受约束的运动规划（带约束投影的 PRM*）、以及带 PD 控制的倾倒机构。
• 自动化数据分析使用最大似然估计/后验更新来估计电化学参数，并生成总结结果与不确定性的 PDF 报告。

实验结果

研究问题

• RQ1 Organa 能否在尽量减少新任务定制工程的情况下，灵活自动化多样的化学实验？
• RQ2 如何利用 LLM 将人类意图转化为可执行、可计划的化学实验，同时处理歧义？
• RQ3 带调度的时序任务与运动规划在多大程度上能提高自动化化学实验室的吞吐量？
• RQ4 自动感知在定标对象和监控实验（包括透明对象）方面的效果如何？
• RQ5 在化学家可用性研究中，Organa 对用户体验和感知工作负载的影响是什么？

主要发现

• Organa 展示了在并行任务执行下的自主溶解度、再结晶、pH 和电化学实验。
• 溶解度测试的准确性值分别为盐、糖和明矾7.2%、11.2%、12.3%，7步计划的平均时长为 25.63 分钟。
• 再结晶使用预加热溶剂，执行8步计划，总时长 44.80 分钟。
• pH 实验使用洋葱-红卷心菜指示剂，6步计划总计 3.85 分钟。
• 在电化学方面，Organa 自动抛光了玻碳电极，并在多种 pH 条件下进行了3个循环的循环伏安法，以表征醌类衍生物。
• 用户研究表明 Organa 明显提升用户体验并降低体力工作负荷。