در یکی از تازهترین دستاوردهای شرکتهای دانشبنیان داخلی، پروژهای یکساله موفق به توسعه دستگاه اندازهگیری زاویه تماس، کشش و انرژی سطحی با قابلیت هوش مصنوعی شده است. این پروژه، نقطه عطفی در بهکارگیری فناوری هوش مصنوعی در تجهیزات نانویی کشور محسوب میشود و با استفاده از الگوریتمهای یادگیری عمیق (Deep Learning) فرآیند اندازهگیری را از حالت دستی به سیستمی کاملاً خودکار تبدیل کرده است. اکنون دستگاه میتواند تنها از طریق تصاویر یا ویدئوهای ثبتشده، زاویه تماس، کشش و انرژی سطحی نمونهها را با دقت بالا محاسبه و نمایش دهد، بدون اینکه کاربر دخالتی داشته باشد. این تحول، علاوه بر افزایش دقت و سرعت اندازهگیری، خطاهای انسانی را بهطور قابل توجهی کاهش داده و راه را برای اتوماسیون کامل آزمایشگاههای نانو و کاربرد صنعتی این تجهیزات هموار میکند.
به گزارش رسانه اخبار فناوری تک فاکس، در تجهیزات اندازهگیری زاویه تماس و کشش سطحی پیشرفته، دقت و قابلیت تکرار نتایج همیشه به مهارت اپراتور وابسته بوده است. خطاهایی مانند تشخیص نادرست مرز قطره، تنظیم اشتباه پارامترها یا برداشت نامناسب دادهها میتواند نتایج را بهشدت تحت تأثیر قرار دهد. علاوه بر این، برای بهدست آوردن میانگین دقیق از چند آزمون، نیاز به تکرار آزمایشها وجود دارد که پروسهای زمانبر و پرهزینه است. در چنین شرایطی، ورود هوش مصنوعی و پردازش خودکار تصاویر، امکان شناسایی دقیق مرز قطره و محاسبه زاویه تماس و انرژی سطحی را بدون دخالت انسانی فراهم کرده است و با سرعت و دقت بیشتر، انجام آزمایشها را بهینه میسازد.
پروژه توسعه دادهشده با هدف جایگزینی تشخیص انسانی از طریق الگوریتم ResNet، یکی از معماریهای مطرح شبکههای عصبی کانولوشنی (CNN)، طراحی شده است. در این سامانه، دستگاه قادر است بدون نیاز به اپراتور، زاویه تماس، کشش سطحی و انرژی سطحی نمونهها را بهصورت دقیق محاسبه کند. این سیستم، ترکیبی از ماژول نرمافزاری هوشمند و تجهیزات تصویربرداری پیشرفته است که تصاویر یا ویدئوهای قطرههای مایع روی سطح نمونه را ثبت کرده و با تحلیل شبکه عصبی کانولوشنی، مرز قطره و پارامترهای سطحی را بهطور خودکار شناسایی میکند. به این ترتیب، پارامترهایی که پیشتر بهصورت دستی تعیین میشدند، اکنون با دقت بسیار بالاتر و بدون دخالت انسانی استخراج میشوند.
فناوری طراحیشده تنها به اندازهگیری استاتیک زاویه تماس محدود نمیشود، بلکه توانایی محاسبه انرژی سطحی از طریق اندازهگیری همزمان دو قطره مختلف روی یک سطح را نیز داراست. سامانه توسعهیافته دو حالت عملکرد دارد؛ حالت اول اتصال مستقیم به دستگاه است، که در آن نرمافزار پس از دریافت تصاویر یا فیلم نمونه، نتایج زاویه تماس و کشش سطح را بهصورت خودکار نمایش میدهد. حالت دوم مستقل از دستگاه است، به این معنی که کاربر میتواند عکس یا ویدئوی نمونه را بارگذاری کند و سامانه بهطور دقیق دادهها را استخراج کرده و نمایش دهد. این قابلیت، نرمافزار را به ابزاری قدرتمند برای تحلیل دادههای ثانویه و پردازش مجدد نتایج آزمایشهای گذشته تبدیل میکند.
اجرای پروژه در سه مرحله اصلی انجام شده است. ابتدا دادههای آزمایشگاهی شامل حدود ۶۰۰۰ تصویر خروجی دستگاههای زاویه تماس در شرایط مختلف جمعآوری شد. سپس پیشپردازش دادهها انجام گرفت تا تصاویر برای ورودی مدل آماده شوند و مرحله برچسبگذاری داده آغاز شد تا اطلاعات تکمیلی برای افزایش دقت مدل افزوده شود. پس از آن، الگوریتم یادگیری عمیق انتخاب و مدل آموزش داده شد. با مقایسه چند مدل CNN مختلف، بهترین الگوریتم و هایپرپارامترها انتخاب شدند تا بالاترین دقت در پیشبینی زاویه تماس حاصل شود. در نهایت، مدل آموزشدیده در نرمافزار اختصاصی شرکت پیادهسازی شد و از طریق رابط کاربری ساده، کاربران قادر به مشاهده نتایج لحظهای هستند.
اجرای موفق این پروژه نیازمند دیتابیس حجیم تصاویر با کیفیت بالا و همچنین سختافزار قدرتمند برای پردازش شبکههای عصبی بود. ستاد نانو اعلام کرده است که این پروژه یکی از نخستین تجربههای بهکارگیری یادگیری عمیق در تجهیزات نانویی کشور محسوب میشود و الگویی برای اتوماسیون آزمایشگاههای تحقیقاتی و صنعتی ایجاد کرده است. این نوآوری قادر است روندهای تکراری در سنجش خواص سطحی مواد را کاملاً خودکار کند و مسیر انتقال فناوری از آزمایشگاه به صنعت را کوتاهتر سازد. همچنین، این دستاورد زمینهساز طراحی نسل جدید تجهیزات اندازهگیری هوشمند در حوزه نانو خواهد بود که با تحلیل بلادرنگ دادهها، دقت و سرعتی فراتر از استانداردهای فعلی ارائه میدهند.
این فناوری، تلفیقی از دانش فیزیک سطح، بینایی ماشین و الگوریتمهای یادگیری عمیق است که با حذف خطای انسانی، کیفیت و سرعت آزمایشهای علمی را به سطح بیسابقهای رسانده است. چنین دستاوردهایی، تصویر آیندهای را ترسیم میکنند که در آن آزمایشگاههای نانویی هوشمند با حداقل دخالت انسانی و حداکثر دقت، مسیر توسعه علم و صنعت نانو را هموار میکنند و امکان انجام تحقیقات پیشرفته با سرعت و اطمینان بالاتر را فراهم میآورند.