【Nano Energy】王雙飛院士團(tuán)隊(duì)將摩擦電探針與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，用于液體運(yùn)輸中懸浮液穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測
【Nano Energy】王雙飛院士團(tuán)隊(duì)將摩擦電探針與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，用于液體運(yùn)輸中懸浮液穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測 https://mp.weixin.qq.com/s/ke8KTHM6k47HNXVQ3RVTyA
01. 研究背景
在造紙白水循環(huán)利用及化工、生物制藥、材料制備等運(yùn)輸及制備過程中，膠體懸浮液的穩(wěn)定性對生產(chǎn)流程至關(guān)重要。然而，由于造紙白水等懸浮液中微粒粒徑和濃度的不斷變化，可能會(huì)嚴(yán)重影響造紙系統(tǒng)及其他化工過程穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及其預(yù)警極其重要。目前的檢測方法往往無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線無損檢測。本研究應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，提出了集成摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的創(chuàng)新方案。這種方法通過分析TENG與膠體懸浮液之間的電荷轉(zhuǎn)移信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對微粒粒徑和濃度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）實(shí)現(xiàn)TENG信號(hào)精確分析，實(shí)現(xiàn)濃度、粒徑、阻塞等變化實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測。這一技術(shù)不僅提高了懸浮液中微粒的監(jiān)測效率和準(zhǔn)確性，為膠體懸濁液穩(wěn)定運(yùn)輸及失穩(wěn)預(yù)警提供較為可靠檢測方法，還為工業(yè)領(lǐng)域中TENG和人工智能技術(shù)的結(jié)合開辟了新的研究思路。
02. 文章概述
近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地集成摩擦納米發(fā)電機(jī)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對懸浮液中微粒粒徑和濃度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，為工業(yè)領(lǐng)域流體的監(jiān)測技術(shù)開辟了新的發(fā)展道路。該成果以題為“Triboelectric probes integrated with deep learning for real-time online monitoring of suspensions in liquid transport”發(fā)表在《Nano Energy》上，2021級碩士生朱云鵬為本研究第一作者，聶雙喜教授和王志偉副教授為通訊作者，羅斌、鄒雪蓮、劉濤、張松、遲明超、孫雨霈、江柯漾、劉令、孟凡蓁參與研究。
03. 圖文導(dǎo)讀
1、基于摩擦電探針和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的懸浮液穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理
本研究結(jié)合摩擦電探針和深度學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)了一種懸浮液穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對微粒粒徑和濃度的高效識(shí)別和分類。懸浮液中微粒粒徑和濃度的變化改變了懸浮液的特性，導(dǎo)致液-固界面電荷轉(zhuǎn)移量發(fā)生變化?；谀Σ良{米發(fā)電機(jī)原理的摩擦電探針(FC-TENG)，通過接觸起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，能夠捕捉反映懸浮液特性變化的輸出信號(hào)，這些具有差異性的輸出信號(hào)，經(jīng)過深度學(xué)習(xí)“隱藏層”中各種方式耦合的感知器分析，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測懸浮液中微粒粒徑和濃度。
圖1. (a) 液-固界面DEL示意圖。(b) 深度學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。(c) 混淆矩陣監(jiān)測結(jié)果示意圖。(d) 懸浮液和液體介質(zhì)開路電壓信號(hào)對比示意圖。(e) FC-TENG探針整個(gè)周期的電荷分布示意圖。(f) 氧原子和氟原子之間的電子轉(zhuǎn)移示意圖。
2、懸浮液中微粒粒徑對界面電荷轉(zhuǎn)移的影響
本研究選用二氧化硅(SiO2)微粒制備懸浮液以驗(yàn)證FC-TENG探針檢測懸浮液中微粒粒徑變化的能力。由于微粒間作用力效應(yīng)，懸浮液中SiO2微粒存在良好分散、弱聚集和強(qiáng)聚集三種狀態(tài)。為建立粒徑監(jiān)測系統(tǒng)，首先收集了5種不同粒徑(1 wt%)SiO2懸浮液的FC-TENG探針輸出信號(hào)。結(jié)果表明，在單一懸浮體系中，隨著SiO2微粒平均粒徑的增大，F(xiàn)C-TENG探針檢測的開路電壓呈逐漸降低的趨勢。為模擬流體剪切力作用下穩(wěn)定懸浮液中微粒聚集的情況，選取10-22 μm粒徑范圍內(nèi)1 wt% SiO2懸浮液作為基底，并摻雜0.2 wt%不同粒徑SiO2以構(gòu)建復(fù)雜體系。結(jié)果分析表明，隨著摻雜SiO2粒徑的增加，開路電壓呈逐步降低的趨勢，兩者存在較強(qiáng)的線性關(guān)系(R=99.59%)，證實(shí)了FC-TENG探針對復(fù)雜體系中微粒粒徑變化的高靈敏檢測能力。
圖2. (a) SiO2微粒在三種存在狀態(tài)下的相互作用示意圖。(b) 流體剪切力作用下SiO2微粒之間的EDL重疊示意圖。(c) SiO2微粒變化示意圖。(d) SiO2微粒的平均粒徑。(e) 開路電壓的變化。(f) 開路電壓信號(hào)的變化趨勢。(g) 復(fù)雜體系下開路電壓的線性擬合曲線。(h) 復(fù)雜體系下開路電壓與微粒平均粒徑的關(guān)系。
3、懸浮液中微粒濃度對界面電荷轉(zhuǎn)移的影響
隨著SiO2微粒濃度的增加，開路電壓峰值呈梯度增長，兩者之間具有正相關(guān)性，線性擬合率達(dá)95.66%。這證實(shí)了FC-TENG探針對SiO2微粒濃度變化具有高靈敏度。分析認(rèn)為，隨著SiO2微粒濃度增加，宏觀上提高了懸浮液的介電性能，從而提高了輸出信號(hào)。為探究FC-TENG探針在復(fù)雜體系中檢測微粒濃度變化的靈敏度，在底物中摻雜不同濃度的大粒徑(22-30 μm) SiO2微粒。結(jié)果顯示，隨著摻雜SiO2微粒濃度的增加，開路電壓呈逐步下降的趨勢，兩者之間具有很強(qiáng)的線性關(guān)系(R=98.68%)。液-固界面接觸分離過程同時(shí)涉及電子傳遞和自由離子屏蔽等多種效應(yīng)，添加大粒徑SiO2微粒增加了懸浮液電導(dǎo)率，自由離子的屏蔽效應(yīng)占主導(dǎo)地位，抑制了液-固界面電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致輸出信號(hào)減弱。
圖3 (a) FC-TENG探針截面SiO2微粒濃度變化示意圖。(b) 開路電壓信號(hào)變化趨勢。(c) 開路電壓線性擬合曲線。(d) 不同濃度SiO2微粒懸浮液的介電常數(shù)。(e) 轉(zhuǎn)移電荷的變化。(f) 復(fù)雜體系下開路電壓的變化。(g) 復(fù)雜體系下懸浮液電導(dǎo)率的變化。
4、CNN模型對開路電壓輸出信號(hào)的訓(xùn)練和測試
為了確保監(jiān)測的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，引入了一種適用于時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析的深度學(xué)習(xí)技術(shù)的CNN模型，這有助于全面評估開路電壓輸出信號(hào)的總體特征，包括峰值和峰形等。RepLKNet-31作為CNN模型領(lǐng)域的先驅(qū)架構(gòu)，顯著縮小了傳統(tǒng)CNN模型和Vision Transformer之間的性能差距，已被證明在各種基準(zhǔn)測試中取得了與Swin Transformer相當(dāng)甚至更好的結(jié)果，同時(shí)保持了更低的延遲。RepLKNet-31架構(gòu)對SiO2微粒的粒徑和濃度的訓(xùn)練和測試精度上都表現(xiàn)出較高的水平。粒徑識(shí)別模型的訓(xùn)練準(zhǔn)確率和測試準(zhǔn)確率分別為98.0%和97.6%，濃度識(shí)別模型的訓(xùn)練準(zhǔn)確率和測試準(zhǔn)確率分別為98.2%和96.8%。
圖4 (a) RepLKNet-31架構(gòu)的進(jìn)程。(b) 基于RepLKNet-31架構(gòu)的數(shù)據(jù)收集過程。(c) 基于RepLKNet-31架構(gòu)的數(shù)據(jù)訓(xùn)練和測試過程。(d, e) 微粒粒徑和濃度識(shí)別模型的訓(xùn)練和測試過程。(f, g) 粒徑和濃度模型的識(shí)別精度。
5、監(jiān)測系統(tǒng)對微粒粒徑和濃度的預(yù)測結(jié)果
將FC-TENG探針的開路電壓輸出數(shù)據(jù)輸入識(shí)別模型后，CNN模型可以高效處理FC-TENG探針的輸出信號(hào)，對SiO2微粒粒徑和濃度的平均識(shí)別率分別高達(dá)97.7%和96.7%，對復(fù)雜體系下的SiO2微粒粒徑和濃度的平均識(shí)別率分別為91.4%和86.3%。懸浮液中的SiO2微粒粒徑和濃度的精確識(shí)別，突出了FC-TENG探針與CNN模型的結(jié)合用于實(shí)時(shí)和在線監(jiān)測復(fù)雜流體成分的巨大潛力。例如，可以通過移動(dòng)終端實(shí)時(shí)在線監(jiān)控工業(yè)環(huán)境中懸浮液的穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品的高質(zhì)量生產(chǎn)。此外，F(xiàn)C-TENG探針可以根據(jù)堵塞的程度產(chǎn)生不同的輸出信號(hào)，保證了危險(xiǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量和安全。FC-TENG探針和CNN模型的結(jié)合不僅提高了數(shù)據(jù)處理和模式識(shí)別的精度，而且為監(jiān)測復(fù)雜流體的成分提供了一種自供電、低成本和環(huán)保的解決方案。
圖5 (a) 識(shí)別粒徑和濃度的CNN模型結(jié)構(gòu)。(b) 微粒粒徑識(shí)別結(jié)果的混淆矩陣。(c) 微粒濃度識(shí)別結(jié)果混淆矩陣。(d) 復(fù)雜體系中的微粒粒徑識(shí)別的混淆矩陣。(e) 復(fù)雜體系中的微粒濃度識(shí)別的混淆矩陣。(f) 監(jiān)測系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖。(g) 監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖。
4、結(jié)論
本研究通過集成摩擦納米發(fā)電機(jī)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，建立了一種監(jiān)測微粒粒徑和濃度的在線系統(tǒng)，借助深度學(xué)習(xí)的CNN模型，F(xiàn)C-TENG探針的輸出數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)、在線分析。結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)對SiO2粒徑和濃度的平均識(shí)別率在單一系統(tǒng)中分別達(dá)到97.7%和96.7%，在復(fù)雜系統(tǒng)中分別達(dá)到91.4%和86.3%。此方法證明了FC-TENG探針對流體成分微小變化的高靈敏度，以及CNN模型從大量數(shù)據(jù)集中提取關(guān)鍵特征的優(yōu)秀識(shí)別能力。本研究不僅為懸浮液穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測提供了新思路，也促進(jìn)了摩擦電探針與人工智能的交叉應(yīng)用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109340