麻省理工研发机器人光学实验室，实现全自动光学实验

每一代新的手机显示屏、电视屏幕和太阳能电池板，背后都离不开精密光学实验：用激光和其他光源测量候选材料的光学性质。这类实验可能要跑上好几个月，科学家得一丝不苟地调整光源、镜子、相机等精密部件的角度和位置，整个过程需要反复仔细微调，既费体力又耗时间。

但麻省理工学院的科学家表示，有朝一日，搭建和运行光学实验的全过程或许都能实现全自动化。朝着这个未来，他们迈出了一步：开发出一套可重构的机器人光学实验室。

这套新机器人实验室能自主把标准光学元件组装成所需构型，随后以微米级精度调节镜片和透镜的角度与位置，产生具有特定性质的光束。系统还能安全拆解实验装置，再把零件重新组装成一套全新的装置。

团队证明，这套机器人系统能自主搭建并微调台式激光腔——这是大多数光学实验的关键部件。系统还能精确操控元件，完成多项光学任务，比如让激光束居中、对准多束光，以及在受到物理扰动时自动稳定光束。麻省理工学院电子学研究实验室博士后 Sachin Vaidya 说：“我们从随机摆放的元件开始。到最后，机器人已经造出一台能正常工作的激光器。”

研究人员正在从实体和虚拟两个层面扩展这套机器人实验室。除了改进系统的物理感知、操控能力和整体空间，他们还在开发一款云端应用，让用户以虚拟方式访问实体机器人。他们设想，有朝一日，世界各地的科学家都能远程接入机器人光学实验室，在线提交实验方案或查询请求，实验室随后自主搭建并运行实验。

麻省理工学院 Cecil and Ida Green 物理学教授 Marin Soljacic 说：“这能带来很多可能。机器人不会觉得无聊。它可以一年 365 天、一天 24 小时地做那些非常枯燥的事。这会把大量创造力和时间还给科学家，让他们去推进理论、看看我们还能做到什么。科学进步可能会快得多。”

麻省理工学院团队将在智能机器人与系统国际会议（IROS 2026）上介绍这套新系统的细节。会议于 9 月 27 日至 10 月 1 日在匹兹堡举行。除 Soljacic 和 Vaidya 外，项目成员还包括麻省理工学院的共同负责人 Seou Choi、Caio Silva 和 Shrish Choudhury，诺基亚贝尔实验室的 Shiekh Uddin，以及亚利桑那州立大学的 Sajib Shuvo。论文目前可在 arXiv 预印本服务器上获取。

光之城

台式光学实验有时就像一座微型城市，里面密布着镜子、透镜和光源。科学家手动把各种元件按精确构型摆好、对准，再把光射入实验装置。透镜和镜子让光束反射、聚焦，形成所需波长、频率或强度的光，随后可用来探测或操控某种材料。

Soljacic 说：“有时，这种手动搭建要花几天甚至几个月，具体取决于实验的复杂程度。这是细致活，而且每个实验都得一遍遍重来。”

大多数实验室确实会在光学装置中加入一定程度的自动化，比如用电动调节器机械地转动旋钮，精确调整镜子的角度。

Vaidya 指出：“这些部件可以自动完成实验中最枯燥的部分。但还没有人做出一个完整系统，能在单一工具里从零搭建到完全对准。我们的目标就是展示：光学实验的所有步骤都能实现全自动化。”

自动调校光学系统

团队的机器人实验室核心是一条七关节机械臂，固定在金属桌面上。机器人负责取放透镜、镜子等光学元件，研究人员把每个元件都装进了单独定制的 3D 打印塑料外壳。

这些外壳的设计让机器人能轻松、安全地抓取和移动每个元件。研究人员还在每个外壳顶部刻上二维码，里面包含壳内元件的信息，比如它是透镜还是镜子，以及精确尺寸和性能。每个外壳都有磁性底座，机械臂把它放到金属桌面上后，底座有助于稳定元件。研究人员设计了一种支持 Wi-Fi 的“微调工具”，可夹在标准光学元件的支架上。这个电动工具能无线控制，用来转动元件旋钮，例如调整镜子的角度。

Vaidya 说：“人类做这种调节靠的是手感和大量直觉。这个工具至少和人一样精确，实际上要精确得多。”

团队还在整个装置上方安装了一对摄像头，提供台式实验的鸟瞰视角。最后，他们开发出一套“软件栈”，也就是一组程序，让机器人能够完成搭建和持续调节实验的每一步。这些步骤包括：识别特定元件，知道如何安全接近并拿起它，把它移到哪里，以及途中如何避免与实验装置的其他部分碰撞。

他们还设计了一个简单的虚拟用户界面，让实验人员能远程指挥机器人。比如，用户把镜子的图标从一处拖到另一处，再点击确认，机器人就会拿起真实的镜子，把它放到桌面上对应的位置。

成功演示激光腔

作为演示，他们指挥机器人把各种元件组装成激光腔。激光腔由两面镜子组成，分别位于晶体两侧。光束射入装置后，会在两面镜子之间来回反射。每反射一次，光也会穿过晶体，晶体把光的强度不断放大，直到逸出的光强到足以形成激光。共同第一作者、电气工程与计算机科学研究生 Seou Choi 说：“我们想选一个难度适中的光学演示。这不是新来的实习生一个下午就能做完的事，需要大量对准经验和元件经验。”

最终，机器人自主完成了 50 步操作，在 30 分钟内成功搭出一个能工作的激光腔。当研究人员对装置施加物理扰动，比如随机移动桌上的某个元件时，系统会自动重新调节元件，以维持激光强度。

Vaidya 说：“哪怕极小的振动或温度变化，也可能让光学实验质量下降。自主实验室可以持续监测自身性能，在宝贵数据丢失之前把对准修好。”

研究人员设想，像他们这样的机器人实验室可以搭配一个附近的实体元件库；另一个机器人从库里取来元件，送到桌面机器人那里，由后者布置成实验。这样的系统能够搭建并运行实验，随后按需拆掉、再搭新实验，或者持续运行需要 24 小时不间断监控的实验。

Vaidya 说：“这样的系统能帮助工业界更快测试原型，从相机、显示器到太阳能电池和 AR/VR 眼镜，都用得上。”

就他们自己而言，研究人员正把新的机器人实验室用于测试有前景的碳捕集材料。通过向这些材料照射具有特定性质的光，他们可以了解材料如何吸收二氧化碳。

Vaidya 说：“实验光学是许多重要领域的支柱。我们的工作迈出了第一步，朝着这样的光学实验室前进：在一个极度追求精度、实验装置又多种多样的领域里，它们能更快、更可靠地运行，而且无需人工干预。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.48550/arxiv.2603.21496