MIT Kembangkan Laboratorium Robotik untuk Eksperimen Optik

Eksperimen optik selama ini menjadi bagian penting dalam pengembangan berbagai teknologi, mulai dari layar ponsel, televisi, panel surya, hingga beragam teknologi berbasis cahaya. Namun, proses pengujian tersebut membutuhkan tingkat ketelitian yang sangat tinggi dan tidak jarang memakan waktu berhari-hari bahkan berbulan-bulan.

Untuk mengatasi tantangan tersebut, para ilmuwan Massachusetts Institute of Technology (MIT) mengembangkan sebuah laboratorium optik robotik yang mampu merakit, menyetel, menjalankan, hingga membongkar konfigurasi eksperimen secara mandiri.

Teknologi ini menjadi langkah menuju laboratorium optik yang tidak lagi sepenuhnya bergantung pada pekerjaan manual manusia. Robot dirancang untuk menangani berbagai komponen optik seperti cermin, lensa, dan sumber cahaya dengan tingkat presisi hingga skala mikrometer.

Dengan kemampuan tersebut, laboratorium robotik MIT berpotensi mempercepat proses pengujian berbagai teknologi yang membutuhkan eksperimen optik presisi tinggi, termasuk penelitian yang berkaitan dengan teknologi kuantum.

Eksperimen Optik Selama Ini Membutuhkan Waktu Lama

Eksperimen optik pada dasarnya membutuhkan banyak komponen yang harus ditempatkan dan diselaraskan secara tepat. Cermin, lensa, kamera, dan sumber cahaya harus berada pada posisi serta sudut tertentu agar menghasilkan berkas cahaya sesuai kebutuhan penelitian.

Kesalahan kecil dalam penempatan komponen dapat memengaruhi hasil eksperimen. Karena itu, ilmuwan harus melakukan penyetelan berulang kali untuk mendapatkan konfigurasi yang tepat.

Proses tersebut menjadi semakin rumit ketika eksperimen memiliki banyak komponen atau membutuhkan konfigurasi yang berbeda. Dalam kondisi tertentu, proses penyiapan dapat berlangsung berhari-hari hingga berbulan-bulan.

“Dalam beberapa kasus, penyiapan manual ini membutuhkan waktu berhari-hari atau bahkan berbulan-bulan, tergantung pada kompleksitas eksperimennya,” kata Marin Soljacic, Cecil and Ida Green Professor of Physics di MIT.

Masalahnya bukan hanya waktu. Pekerjaan tersebut juga sangat repetitif dan melelahkan karena ilmuwan harus terus mengatur posisi komponen dengan tingkat ketelitian tinggi.

Sebenarnya, sejumlah laboratorium sudah menggunakan perangkat otomatis untuk membantu proses tersebut. Salah satunya adalah penyetel bermotor yang dapat memutar kenop pada cermin atau komponen optik lainnya.

Namun, teknologi tersebut biasanya hanya mengotomatisasi bagian tertentu. MIT ingin melangkah lebih jauh dengan membuat sistem yang mampu menangani keseluruhan proses, mulai dari kondisi awal tanpa konfigurasi hingga menghasilkan eksperimen yang sudah tersusun dan selaras.

Robot Bisa Merakit Eksperimen dari Nol

Laboratorium yang dikembangkan tim MIT menggunakan sebuah lengan robot dengan tujuh sambungan bergerak. Lengan tersebut dipasang pada meja logam yang menjadi tempat berbagai komponen optik disusun.

Robot dapat mengambil dan menempatkan lensa, cermin, serta komponen lainnya sesuai kebutuhan eksperimen. Agar setiap komponen mudah dikenali dan dipindahkan, para peneliti menempatkannya di dalam wadah plastik yang dibuat menggunakan printer 3D. Wadah tersebut dirancang agar dapat digenggam oleh robot dengan aman.

Menariknya, setiap wadah dilengkapi kode QR pada bagian atasnya. Kode tersebut menyimpan informasi mengenai komponen yang berada di dalamnya, termasuk jenis komponen, ukuran, serta kemampuan teknisnya.

Dengan informasi tersebut, sistem dapat mengetahui komponen apa yang sedang dihadapi robot dan bagaimana komponen tersebut harus diperlakukan. Wadah juga dilengkapi dasar magnetik. Ketika robot menempatkan komponen di atas meja logam, magnet membantu menjaga komponen tetap stabil pada posisinya.

Teknologi ini memungkinkan robot melakukan pekerjaan yang biasanya membutuhkan pengalaman seorang peneliti atau teknisi optik.

Alat Khusus Membuat Robot Lebih Presisi

Selain lengan robot, tim MIT mengembangkan sebuah alat penyetelan presisi yang dapat dipasang pada dudukan komponen optik standar. Perangkat tersebut terhubung melalui Wi-Fi dan dilengkapi mekanisme bermotor untuk memutar kenop pada komponen optik. Dengan cara ini, robot tidak hanya dapat menempatkan sebuah cermin atau lensa, tetapi juga melakukan penyesuaian terhadap posisi dan sudutnya.

Kemampuan tersebut penting karena penyelarasan optik membutuhkan ketelitian yang sangat tinggi.

“Cara manusia melakukan penyetelan biasanya berdasarkan perasaan dan banyak mengandalkan intuisi,” kata Sachin Vaidya, peneliti pascadoktoral di Research Laboratory of Electronics MIT. Menurutnya, alat yang dikembangkan tim memiliki tingkat presisi setidaknya setara manusia, bahkan dalam praktiknya dapat bekerja lebih presisi.

Untuk membantu robot memahami kondisi eksperimen, tim juga memasang dua kamera di atas area kerja. Kamera tersebut memberikan pandangan dari atas sehingga sistem dapat mengamati posisi berbagai komponen di atas meja.

Semua perangkat itu kemudian diintegrasikan dengan perangkat lunak yang mengatur berbagai tahapan kerja robot. Sistem harus mampu mengenali komponen, menentukan cara mengambilnya, mengetahui lokasi tujuan, menempatkannya dengan aman, dan menghindari kemungkinan tabrakan dengan komponen lain.

Eksperimen Bisa Dikendalikan dari Jarak Jauh

MIT tidak hanya mengembangkan sisi fisik laboratorium robotik. Para peneliti juga membuat antarmuka virtual yang memungkinkan pengguna mengendalikan sistem dari jarak jauh. Melalui antarmuka tersebut, peneliti dapat menentukan posisi komponen secara virtual. Misalnya, pengguna cukup memindahkan ikon sebuah cermin di layar ke lokasi tertentu dan mengonfirmasi perintah.

Robot kemudian akan menerjemahkan perintah tersebut ke dunia nyata dengan mengambil cermin yang sebenarnya dan meletakkannya pada posisi yang sesuai di meja eksperimen. Konsep tersebut membuka kemungkinan untuk mengakses laboratorium optik tanpa harus berada langsung di lokasi.

Para peneliti bahkan sedang mengembangkan aplikasi berbasis cloud agar laboratorium fisik dapat diakses secara virtual. Di masa mendatang, ilmuwan dari berbagai lokasi dapat mengirimkan protokol eksperimen atau pertanyaan penelitian melalui sistem tersebut.

Laboratorium kemudian dapat menyiapkan dan menjalankan eksperimen secara otomatis.

Robot Berhasil Membuat Rongga Laser

Untuk menguji kemampuan sistem, para peneliti memilih sebuah eksperimen optik yang cukup kompleks, yaitu membangun rongga laser atau laser cavity. Rongga laser terdiri dari dua cermin yang ditempatkan di kedua sisi sebuah kristal. Ketika cahaya masuk ke dalam sistem, berkas tersebut bergerak bolak-balik di antara kedua cermin.

Dalam setiap lintasan, cahaya melewati kristal yang berfungsi memperkuat intensitasnya. Proses tersebut memungkinkan sebagian cahaya yang keluar memiliki intensitas cukup tinggi untuk menghasilkan laser. Eksperimen ini dipilih karena membutuhkan penyelarasan dan pengalaman menangani komponen optik yang cukup rumit.

Hasil pengujian menunjukkan bahwa robot mampu membangun rongga laser yang berfungsi secara mandiri. Robot melakukan sebanyak 50 manuver dalam waktu kurang dari 30 menit. Keberhasilan tersebut menunjukkan bahwa robot tidak hanya mampu memindahkan komponen, tetapi juga menjalankan serangkaian proses yang diperlukan untuk menghasilkan sebuah eksperimen optik yang berfungsi.

Mampu Memperbaiki Penyelarasan Secara Otomatis

Salah satu kemampuan penting lainnya adalah menjaga eksperimen tetap stabil. Dalam eksperimen optik, gangguan kecil seperti getaran atau perubahan suhu dapat memengaruhi hasil pengukuran. Karena itu, peneliti biasanya harus terus memantau kondisi eksperimen dan melakukan penyetelan ulang jika terjadi perubahan.

Dalam pengujian MIT, para peneliti sengaja memberikan gangguan fisik dengan memindahkan salah satu komponen di atas meja secara acak. Sistem kemudian mendeteksi perubahan tersebut dan secara otomatis menyesuaikan kembali komponen untuk mempertahankan intensitas laser.

“Bahkan getaran kecil atau perubahan suhu dapat menurunkan kualitas eksperimen optik,” kata Vaidya. “Laboratorium otonom dapat terus memantau kinerjanya sendiri dan memperbaiki penyelarasan sebelum data berharga hilang.”

Kemampuan seperti ini menjadi penting terutama untuk eksperimen yang membutuhkan pengamatan dalam waktu lama.

Bayangan Laboratorium yang Bekerja 24 Jam

Para peneliti MIT melihat peluang yang lebih besar dari sekadar membuat robot mampu menyusun komponen optik.

Dalam konsep yang mereka bayangkan, laboratorium robotik dapat memiliki semacam perpustakaan komponen fisik. Robot lain dapat mengambil komponen yang diperlukan dan mengirimkannya ke robot utama yang bertugas menyiapkan eksperimen.

Setelah eksperimen selesai, robot dapat membongkar konfigurasi tersebut dan menggunakan komponen yang sama untuk membangun eksperimen lain. Sistem semacam ini bahkan dapat digunakan untuk eksperimen yang harus berjalan terus-menerus selama 24 jam sehari dan tujuh hari dalam seminggu.

Bagi industri, teknologi tersebut berpotensi membantu mempercepat pengujian prototipe. Bidangnya dapat mencakup pengembangan kamera, layar, sel surya, hingga perangkat augmented reality (AR) dan virtual reality (VR).

Digunakan untuk Menguji Material Penangkap Karbon

Laboratorium robotik MIT kini juga mulai digunakan untuk penelitian material yang berpotensi membantu menangkap karbon.

Dalam eksperimen tersebut, para peneliti menggunakan cahaya dengan karakteristik tertentu untuk menyinari material. Dari respons material terhadap cahaya, ilmuwan dapat memperoleh informasi mengenai bagaimana material tersebut menyerap karbon dioksida (CO₂).

Penggunaan robot memungkinkan proses pengujian dilakukan secara lebih konsisten karena penyetelan komponen dapat dilakukan dengan presisi dan berulang kali.

Teknologi tersebut juga dapat mengurangi waktu yang harus dihabiskan ilmuwan untuk pekerjaan mekanis dan repetitif. Sebaliknya, para peneliti dapat lebih banyak mencurahkan waktu untuk merancang eksperimen, menganalisis data, dan mengembangkan teori baru.

“Eksperimen optik merupakan tulang punggung bagi banyak bidang penting,” kata Vaidya. Ia menyebut penelitian tersebut sebagai langkah awal menuju laboratorium optik yang dapat bekerja lebih cepat, lebih andal, dan tanpa intervensi manual dalam eksperimen yang membutuhkan presisi tinggi.

Menuju Laboratorium Sains yang Sepenuhnya Otonom

Pengembangan laboratorium optik robotik MIT menunjukkan bagaimana robot dapat mengambil alih pekerjaan eksperimental yang selama ini membutuhkan keterampilan manusia.

Robot tidak menggantikan peran ilmuwan dalam merumuskan pertanyaan penelitian atau menentukan tujuan eksperimen. Sebaliknya, robot dapat menangani pekerjaan fisik yang berulang dan membutuhkan ketelitian tinggi.

Konsep tersebut juga membuka peluang bagi model penelitian baru. Jika laboratorium dapat diakses dari jarak jauh dan mampu menjalankan eksperimen secara mandiri, ilmuwan tidak harus selalu berada di depan meja eksperimen untuk melakukan penyetelan.

Dalam jangka panjang, kombinasi robot, perangkat lunak, kamera, konektivitas cloud, dan komponen optik presisi dapat membentuk laboratorium yang mampu menerima instruksi, membangun eksperimen, menjalankan pengujian, memantau hasil, melakukan penyetelan ulang, kemudian membongkar sistem untuk mempersiapkan eksperimen berikutnya.

Bagi bidang yang membutuhkan eksperimen optik dalam jumlah besar, otomatisasi seperti ini dapat menghemat waktu sekaligus meningkatkan konsistensi.

Tim MIT melihat penelitian tersebut sebagai langkah awal menuju laboratorium optik yang dapat beroperasi lebih cepat, lebih andal, dan dengan intervensi manusia yang jauh lebih sedikit. Teknologi ini juga berpotensi mendukung berbagai bidang penelitian dan industri yang membutuhkan manipulasi cahaya dengan tingkat presisi sangat tinggi.

Penelitian tersebut didukung oleh sejumlah lembaga dan program, termasuk Korea Foundation for Advanced Studies Overseas PhD Scholarship, U.S. National Science Foundation, U.S. Army DEVCOM ARL Army Research Office, MIT Undergraduate Research Opportunities Program (UROP), MIT Generative AI Impact Consortium (MGAIC), serta Shell International Exploration and Production Inc.