Графеновые наночастицы как цифровые материалы для генерации данных в индустрии 4.0

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4945 (2023) Цитировать эту статью

3085 Доступов

6 Альтметрика

Подробности о метриках

Одним из потенциальных применений 2D-материалов является повышение многофункциональности конструкций и компонентов, используемых в аэрокосмической, автомобильной, гражданской и оборонной промышленности. Эти многофункциональные атрибуты включают в себя считывание, накопление энергии, защиту от электромагнитных помех и улучшение свойств. В этой статье мы исследовали потенциал использования графена и его вариантов в качестве сенсорных элементов для генерации данных в Индустрии 4.0. Мы представили полную дорожную карту, охватывающую три новые технологии, а именно передовые материалы, искусственный интеллект и технологию блокчейн. Полезность двумерных материалов, таких как наночастицы графена, еще предстоит изучить в качестве интерфейса для оцифровки современной умной фабрики, то есть «фабрики будущего». В этой статье мы исследовали, как 2D-композиты, улучшенные материалами, могут выступать в качестве интерфейса между физическим и киберпространством. Представлен обзор использования интеллектуальных встроенных датчиков на основе графена на различных этапах процессов производства композитов и их применения для мониторинга состояния конструкций в режиме реального времени. Обсуждаются технические проблемы, связанные с взаимодействием сенсорных сетей на основе графена с цифровым пространством. Кроме того, также представлен обзор интеграции связанных инструментов, таких как искусственный интеллект, машинное обучение и технология блокчейна, с устройствами и структурами на основе графена.

Промышленная революция — это период времени, в течение которого происходят существенные изменения в способах производства товаров, которые фундаментально преобразуют общество, и характеризуется внедрением прорывных технологий и новых методов производства1,2,3. Обычно это приводит к повышению эффективности, снижению затрат, увеличению производства и широкому экономическому и социальному эффекту3. Первая промышленная революция (Индустрия 1.0) характеризовалась внедрением методов механического производства с использованием энергии воды и пара3,4. Индустрия 2.0 увидела внедрение массового производства с использованием электричества и сборочной линии5,6. Индустрия 3.0 привела к использованию информационных технологий, компьютеров и автоматизации в производстве, что привело к повышению эффективности и индивидуализации6. Индустрия 4.0 идет дальше, объединяя интеллектуальные и автономные системы, искусственный интеллект, робототехнику, Интернет вещей (IoT), облачные вычисления и интеграцию физических и виртуальных систем, что приводит к дальнейшему уровню автоматизации и обмена данными7,8,9 , 10. Ожидается, что Индустрия 4.0 постепенно превратится в Индустрию 5.0, которая будет характеризоваться дальнейшим развитием вышеупомянутых технологий10,11,12.

В Индустрии 4.0 соединение физического и виртуального пространства является решающим шагом, необходимым для реализации интеллектуальных операций в процессах проектирования материалов и производства13,14,15,16. Физическое пространство в умном производстве подразумевает производственные инструменты, сырье и человеческие ресурсы. Принимая во внимание, что виртуальное пространство включает в себя вычислительные ресурсы, оснащенные возможностями хранения и обмена данными, а также инструментами анализа данных. Сближение этих двух пространств в настоящее время достигается за счет массива встроенных датчиков или устройств формирования изображений. Однако эти методы неэффективны и предполагают внедрение посторонних предметов в материал или конструкцию. Замена таких устройств самим материалом произведет революцию в парадигме цифрового производства. Такой материал может быть «умным» и способным воспринимать и передавать собранную информацию или данные в виртуальное пространство в режиме реального времени.

Графен и другие 2D-материалы могут выступать в качестве необходимого интерфейса и обеспечивать прямую связь материала с цифровым миром17,18. Графен и родственные ему 2D-материалы уже более десяти лет находятся в центре интенсивных исследований и разработок, однако продукты, использующие эти материалы, еще не завоевали рынок. Предполагалось, что графен, названный «чудо-материалом», будет иметь широкий спектр применений: от электроники, гражданских/механических конструкций и фильтрации воды до носимых технологий, биосенсоров и медицины19. Однако из-за масштабов и стоимости производства эти ожидания не смогли оправдаться более чем через десять лет20. В настоящее время устройства генерации данных (такие как датчики) на основе 2D-материалов в основном находятся на начальном уровне технологической готовности (TRL). Требуются дальнейшие исследования, чтобы повысить уровень технологической готовности и создать более сложные прототипы систем для коммерческого внедрения. Чтобы ускорить путь к индустриализации 2D-материалов и повысить их потенциал для будущего воздействия на коммерческом уровне, необходимо разработать и интегрировать с этими устройствами сопутствующие инструменты, такие как искусственный интеллект и технология блокчейн. Одним из потенциальных применений наночастиц графена является придание структурам многофункциональности. Эти многофункциональные атрибуты включают в себя считывание, накопление энергии, защиту от электромагнитных помех, улучшение свойств и т. д.21,22,23,24.