Подход, основанный на машинном обучении, для поиска нанокомпозитных пленок в качестве альтернативы биоразлагаемому пластику

Накопление пластиковых отходов в природной среде вызывает серьезную озабоченность, поскольку способствует разрушению экосистем и наносит вред водной жизни. В последние годы ученые-материаловеды пытались найти естественные альтернативы пластикам, которые можно было бы использовать для упаковки или производства продуктов.

Исследователи из Университета Мэриленда в Колледж-Парке недавно разработали новый способ обнаружения перспективных биоразлагаемых альтернатив пластику. Предлагаемый ими метод, описанный в статье опубликовано в Природные нанотехнологииСочетает в себе новейшие методы машинного обучения и молекулярную науку.

«Моим вдохновением для этого исследования стал визит в Палау в западной части Тихого океана в 2019 году», — рассказал Tech Xplore профессор Бо-Инь Чен, соавтор статьи. «Воздействие пластикового загрязнения на морскую жизнь — плавающие пластиковые пленки, которые обманывают рыб и морских черепах, заставляя их думать, что пластиковые отходы — это еда, — было чрезвычайно тревожным. Это побудило меня применить свой опыт к этой экологической проблеме и заставило меня сосредоточиться на поиске решения. решение при создании собственной исследовательской лаборатории».

Традиционные и ранее использовавшиеся методы поиска устойчивых альтернатив пластику отнимают много времени и неэффективны. Во многих случаях они также приводят к плохим результатам, например, выявляя материалы, которые являются биоразлагаемыми, но не обладают такими же желаемыми свойствами, как пластик.

Инновационный подход к выявлению альтернатив пластику, представленный в этой последней статье, основан на модели машинного обучения, разработанной Ченом.

Помимо того, что этот подход быстрее, чем традиционные методы поиска материалов, он может быть более эффективным при обнаружении материалов, которые можно реально использовать в производстве и промышленности. Чен применил свою технику машинного обучения, чтобы открыть полностью пластиковые альтернативы в тесном сотрудничестве с коллегами Тэн Ли и Лянпин Ху.

«Объединив автоматизированную робототехнику, машинное обучение и моделирование молекулярной динамики, мы ускорили разработку натуральных, экологически чистых альтернатив пластику, которые соответствуют ключевым стандартам производительности», — пояснил Чен. «Наш комплексный подход сочетает в себе автоматизированную робототехнику, машинное обучение и циклы активного обучения для ускорения разработки биоразлагаемых альтернатив пластику».

Во-первых, Чен и его коллеги собрали обширную библиотеку нанокомпозитных пленок, полученных из различных природных источников. Это было сделано с помощью автономного робота для отбора проб, который может самостоятельно готовить лабораторные пробы.

Затем исследователи использовали эту библиотеку образцов для обучения модели Чена, основанной на машинном обучении. В ходе обучения модель постепенно становилась более эффективной в прогнозировании свойств материалов на основе их состава посредством процесса, известного как итеративное активное обучение.

«Синергия робототехники и машинного обучения не только ускоряет открытие природных альтернатив пластику, но и позволяет целенаправленно разрабатывать альтернативы пластику с особыми свойствами», — сказал Чен. «Наш подход значительно сокращает необходимые время и ресурсы по сравнению с традиционным методом исследования методом проб и ошибок».

Это недавнее исследование и представленный в нем подход могут ускорить будущие исследования экологически чистых альтернатив пластику. Команды по всему миру вскоре смогут использовать модель команды для производства полностью натуральных нанокомпозитов с регулируемыми и полезными свойствами.

«Объединив инструменты робототехники, машинного обучения и моделирования, мы создали рабочий процесс, который ускоряет открытие новых функциональных материалов и позволяет настраивать их для конкретных приложений», — сказал Чен.

«Наш комплексный подход снижает барьеры в разработке экологически чистой альтернативы нефтехимическим пластикам, сохраняя при этом ее экологическую целостность. Он также обеспечивает открытую и расширяемую базу данных, ориентированную на зеленые, экологически чистые и биоразлагаемые функциональные материалы».

В будущем инновационный подход, разработанный Ченом, может помочь уменьшить пластиковое загрязнение во всем мире, способствуя переходу многих секторов к более экологичным материалам. В своих предстоящих исследованиях ученые планируют продолжить работу над решением экологических проблем, вызванных нефтехимическими пластиками.

Например, они надеются расширить ассортимент натуральных материалов, из которых смогут выбирать производители. Кроме того, они попытаются расширить возможные применения материалов, определенных их моделью, и обеспечить возможность производства этих материалов в больших масштабах.

«Сейчас мы работаем над поиском подходящих биоразлагаемых и экологически чистых материалов для упаковки свежих продуктов после сбора урожая, заменой одноразовой пластиковой упаковки для пищевых продуктов и увеличением срока хранения этих послеуборочных продуктов», — добавил Чен.

«Мы также исследуем, как управлять утилизацией этих биоразлагаемых пластиков, включая их переработку или преобразование в другие полезные химические вещества. Эти усилия являются важными шагами на пути к тому, чтобы сделать наши решения не только экологически чистыми, но и экономически выгодными альтернативами традиционным пластикам». «Эта работа вносит значительный вклад в глобальную инициативу по сокращению пластикового загрязнения».