Berkeley Lab accelera la scienza con intelligenza artificiale e automazione

L’intelligenza artificiale e l’automazione stanno trasformando il modo in cui la scienza viene condotta, e uno dei luoghi simbolo di questa rivoluzione è il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), in California. Qui, fisici, biologi, chimici e ingegneri stanno costruendo un nuovo modello di ricerca scientifica, in cui l’intervento umano e quello delle macchine si fondono per ottenere risultati impensabili fino a pochi anni fa.

Dalla creazione di nuovi materiali ad alte prestazioni alla scoperta di fonti energetiche più pulite, fino alla mappatura su larga scala del microbioma terrestre, i ricercatori del Berkeley Lab stanno utilizzando algoritmi di intelligenza artificiale e sistemi robotici automatizzati per ridurre i tempi della ricerca da anni a settimane — e in alcuni casi, persino a giorni.

Un nuovo paradigma scientifico: il laboratorio autonomo

Nel cuore del Berkeley Lab prende forma il concetto di “laboratorio autonomo”: un ecosistema in cui sensori, robot e intelligenza artificiale lavorano insieme per pianificare, eseguire e analizzare esperimenti in modo continuo, 24 ore su 24.

L’idea non è quella di sostituire gli scienziati, ma di liberarli dalle operazioni ripetitive e permettere loro di concentrarsi sulla parte più creativa della ricerca: l’interpretazione dei dati e la formulazione di nuove ipotesi.

Secondo la dottoressa Kristin Persson, direttrice del Molecular Foundry e docente all’Università di Berkeley,

“L’intelligenza artificiale è diventata il nostro nuovo collaboratore scientifico. Non lavora per noi, ma con noi. È come avere un collega che non dorme mai e che può testare centinaia di combinazioni di materiali mentre noi analizziamo i risultati.”

Il laboratorio autonomo è alimentato da una rete di algoritmi di apprendimento automatico (machine learning) e da robot sperimentali, che misurano, sintetizzano e combinano sostanze o materiali in tempo reale. Tutti i dati prodotti vengono poi elaborati in un’unica infrastruttura di calcolo distribuito — una sorta di cervello digitale condiviso.

Materiali su misura grazie all’AI

Uno dei campi che sta beneficiando maggiormente di questa rivoluzione è quello dei materiali avanzati.
Creare una nuova lega metallica, un catalizzatore o una membrana per batterie richiede in genere anni di test empirici.
Con l’aiuto dell’intelligenza artificiale, però, i ricercatori possono ora simulare milioni di combinazioni molecolari e selezionare solo quelle più promettenti per la produzione fisica.

Il progetto A-Lab (Autonomous Lab for Materials Discovery), sviluppato al Berkeley Lab, è già operativo:
robot intelligenti sintetizzano nuovi materiali, analizzano i risultati e apprendono autonomamente come ottimizzare le successive fasi sperimentali.
In pochi mesi di attività, A-Lab ha scoperto nuovi composti per celle fotovoltaiche e batterie al litio che potrebbero rivoluzionare il settore energetico.

“Quello che prima richiedeva cinque anni di lavoro manuale ora può essere fatto in cinque settimane”, spiega il fisico Andrew Connolly, parte del team di ricerca.

AI e sostenibilità: una scienza più verde e più efficiente

Oltre alla velocità, il grande vantaggio dell’automazione è la sostenibilità.
Ogni esperimento tradizionale comporta un alto consumo di energia e materiali, spesso con un grande spreco di risorse.

L’uso dell’intelligenza artificiale consente invece di ridurre drasticamente gli scarti, prevedendo i risultati prima ancora di condurre i test reali.
Il Berkeley Lab ha calcolato che, grazie ai nuovi sistemi AI-driven, è possibile tagliare fino al 70% dei materiali utilizzati in alcune ricerche chimiche e ridurre le emissioni di CO₂ derivanti dalle attività di laboratorio.

Un esempio concreto viene dal Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), dove gli scienziati stanno utilizzando l’AI per sviluppare catalizzatori in grado di trasformare l’anidride carbonica in carburante pulito.
L’obiettivo è creare un ciclo virtuoso in cui i rifiuti dell’industria possano essere riconvertiti in energia, riducendo l’impatto ambientale complessivo.

Dai microbiomi alla medicina di precisione

L’uso combinato di intelligenza artificiale e robotica non si limita alla fisica dei materiali.
Nel Joint Genome Institute (JGI), altra struttura del Berkeley Lab, l’AI viene utilizzata per analizzare il DNA di milioni di microrganismi, accelerando la scoperta di enzimi naturali con applicazioni in medicina, agricoltura e biotecnologia.

Grazie ai sistemi automatizzati di sequenziamento genetico, i ricercatori possono ora identificare nuove specie microbiche e studiarne l’evoluzione in ambienti estremi come vulcani, deserti o ghiacci antartici.
Questo approccio è già stato esteso alla ricerca oncologica, dove l’intelligenza artificiale sta aiutando a mappare i tumori a livello molecolare, aprendo la strada a terapie personalizzate basate sul profilo genetico di ciascun paziente.

Il potere dei dati e la sfida etica

La vera forza di questo nuovo modello di ricerca è la gestione dei dati.
Ogni giorno, il Berkeley Lab elabora petabyte di informazioni provenienti da microscopi elettronici, acceleratori di particelle e sensori ambientali.
Per gestire questa mole di dati, è stata sviluppata una piattaforma di intelligenza artificiale distribuita che collega i diversi laboratori del Dipartimento dell’Energia americano (DOE).

Tuttavia, la digitalizzazione della scienza apre anche nuove questioni etiche.
Chi è il vero autore di una scoperta realizzata da un algoritmo?
Come garantire la trasparenza dei processi decisionali automatici?
Su questi temi, il Berkeley Lab ha avviato un comitato interdisciplinare che include esperti di etica, diritto e filosofia della tecnologia, con l’obiettivo di sviluppare linee guida internazionali per la ricerca scientifica automatizzata.

Un modello per il futuro della ricerca

L’esperienza del Berkeley Lab rappresenta un punto di svolta storico per la comunità scientifica mondiale.
Nel prossimo decennio, i laboratori completamente automatizzati e integrati con l’intelligenza artificiale potrebbero diventare la norma, accelerando l’innovazione in campi cruciali come la medicina, l’energia e il clima.

Come ha affermato la direttrice del laboratorio, Carolyn Bertozzi, premio Nobel per la Chimica 2022:

“La scienza del futuro non sarà solo più veloce, ma anche più responsabile.
L’intelligenza artificiale non toglierà lavoro agli scienziati, ma darà loro nuovi strumenti per comprendere e migliorare il mondo in cui viviamo.”

L’era della ricerca automatizzata è solo all’inizio, ma già promette una nuova rivoluzione scientifica, in cui la mente umana e quella artificiale collaborano per spingere la conoscenza oltre i suoi confini attuali.