インダストリー 4.0 でデジタル マテリアルを生成するデータとしてのグラフェン ナノ粒子

Aug 28, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4945 (2023) この記事を引用

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2D 材料の潜在的な用途の 1 つは、航空宇宙、自動車、民間、防衛産業で使用される構造やコンポーネントの多機能性を強化することです。 これらの多機能特性には、センシング、エネルギー貯蔵、EMI シールド、特性強化が含まれます。 この記事では、インダストリー 4.0 で感覚要素を生成するデータとしてグラフェンとそのバリアントを使用する可能性を検討しました。 私たちは、先端材料、人工知能、ブロックチェーン技術という 3 つの新興テクノロジーをカバーする完全なロードマップを提示しました。 グラフェン ナノ粒子などの 2D 材料の有用性は、現代のスマート ファクトリー、つまり「未来の工場」のデジタル化のためのインターフェイスとしてまだ検討されていません。 この記事では、2D マテリアル強化複合材が物理空間とサイバー空間の間のインターフェイスとしてどのように機能するかを検討しました。 複合材料製造プロセスのさまざまな段階でグラフェンベースのスマート埋め込みセンサーを採用する概要と、リアルタイムの構造健全性モニタリングにおけるその応用について説明します。 グラフェンベースのセンシングネットワークとデジタル空間のインターフェースに関連する技術的課題について説明します。 さらに、人工知能、機械学習、ブロックチェーン技術などの関連ツールとグラフェンベースのデバイスおよび構造との統合の概要も示します。

産業革命は、社会を根本的に変えるほどの製品の生産方法に重大な変化が起こる時代であり、破壊的技術や新しい生産方法の導入によって特徴付けられます1、2、3。 これは通常、効率の向上、コストの削減、生産量の増加、および広範な経済的および社会的影響につながります3。 第一次産業革命 (インダストリー 1.0) は、水と蒸気の力を使用した機械的生産方法の導入によって特徴づけられました 3,4。 インダストリー 2.0 では、電気と組立ラインを使用した大量生産が導入されました5、6。 インダストリー 3.0 では、生産における情報技術、コンピューター、オートメーションの使用が導入され、効率とカスタマイズの向上につながりました6。 インダストリー 4.0 は、スマートで自律的なシステム、人工知能、ロボティクス、モノのインターネット (IoT)、クラウド コンピューティング、物理システムと仮想システムの統合を組み込むことでこれをさらに推し進め、さらなるレベルの自動化とデータ交換につながります7、8、9。 、10． インダストリー 4.0 は、上記のテクノロジーのさらなる進歩を特徴とするインダストリー 5.0 に徐々に進化すると予想されます 10、11、12。

インダストリー 4.0 では、物理空間と仮想空間の相互接続は、材料設計および製造プロセスにおけるスマートな運用を実現するために必要な重要なステップです13、14、15、16。 スマート製造セットアップにおける物理空間とは、製造ツール、原材料、人材を指します。 一方、仮想空間には、データ ストレージと共有機能、およびデータ分析ツールを備えた計算リソースが含まれます。 これら 2 つの空間の収束は、現在、埋め込みセンサーのアレイまたは画像デバイスを介して実現されています。 しかし、これらの方法は非効率的であり、材料または構造内に異物が埋め込まれることになります。 このようなデバイスを素材そのものに置き換えることで、デジタル製造のパラダイムに革命が起こります。 このようなマテリアルは「スマート」で、収集した情報やデータをリアルタイムで感知して仮想空間に中継することができます。

グラフェンやその他の 2D 材料は、必要なインターフェイスとして機能し、材料をデジタル世界と直接通信させることができます 17,18。 グラフェンおよび関連 2D 材料は、10 年以上にわたって集中的な研究開発の焦点となってきましたが、これらの材料を利用した製品はまだ市場を獲得していません。 「驚異の材料」と呼ばれるグラフェンは、エレクトロニクス、土木/機械構造物、水の濾過からウェアラブル技術、バイオセンサー、医療に至るまで幅広い応用が期待されていました19。 しかし、生産の規模とコストのため、これらの期待は 10 年以上経っても実現できませんでした。 現在、2D マテリアルに基づくデータ生成デバイス (センサーなど) のほとんどは、初期の Technology Readiness Level (TRL) にあります。 技術の準備レベルを高め、商業展開に向けてより洗練されたプロトタイプ システムを製造するには、さらなる研究が必要です。 2D 材料の工業化への道を加速し、商業レベルでの将来的な影響の可能性を高めるためには、人工知能やブロックチェーン技術などの関連ツールを開発し、これらのデバイスと統合する必要があります。 グラフェン ナノ粒子の潜在的な用途の 1 つは、構造に多機能性を付与することです。 これらの多機能特性には、センシング、エネルギー貯蔵、EMI シールド、特性強化などが含まれます 21、22、23、24。