Les nanoparticules de graphène comme matériaux numériques générateurs de données dans l'industrie 4.0

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4945 (2023) Citer cet article

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L’une des applications potentielles des matériaux 2D est d’améliorer la multifonctionnalité des structures et des composants utilisés dans les industries aérospatiale, automobile, civile et de défense. Ces attributs multifonctionnels incluent la détection, le stockage d'énergie, le blindage EMI et l'amélioration des propriétés. Dans cet article, nous avons exploré le potentiel de l’utilisation du graphène et de ses variantes comme éléments sensoriels générateurs de données dans l’Industrie 4.0. Nous avons présenté une feuille de route complète pour couvrir trois technologies émergentes, à savoir les matériaux avancés, l'intelligence artificielle et la technologie blockchain. L'utilité des matériaux 2D tels que les nanoparticules de graphène reste encore à explorer en tant qu'interface pour la numérisation d'une usine intelligente moderne, c'est-à-dire « l'usine du futur ». Dans cet article, nous avons exploré comment les composites améliorés par des matériaux 2D peuvent servir d’interface entre les espaces physiques et cybernétiques. Un aperçu de l'utilisation de capteurs intelligents intégrés à base de graphène à différentes étapes des processus de fabrication de composites et de leur application dans la surveillance de l'état des structures en temps réel est présenté. Les défis techniques associés à l'interface des réseaux de détection basés sur le graphène avec l'espace numérique sont discutés. De plus, un aperçu de l'intégration d'outils associés tels que l'intelligence artificielle, l'apprentissage automatique et la technologie blockchain avec des dispositifs et des structures basés sur le graphène est également présenté.

Une révolution industrielle est une période au cours de laquelle des changements significatifs se produisent dans la manière dont les biens sont produits, au point de transformer fondamentalement la société, et se caractérise par l'introduction de technologies de rupture et de nouvelles méthodes de production1,2,3. Cela conduit généralement à une efficacité accrue, à une réduction des coûts, à une production accrue et à un impact économique et social étendu3. La première révolution industrielle (Industrie 1.0) a été caractérisée par l’introduction de méthodes de production mécaniques utilisant l’eau et la vapeur3,4. L’Industrie 2.0 a vu l’introduction de la production de masse utilisant l’électricité et la chaîne de montage5,6. L’Industrie 3.0 a introduit l’utilisation des technologies de l’information, des ordinateurs et de l’automatisation dans la production, conduisant à une efficacité et une personnalisation accrues6. L'Industrie 4.0 va plus loin en intégrant des systèmes intelligents et autonomes, l'intelligence artificielle, la robotique, l'Internet des objets (IoT), le cloud computing et l'intégration de systèmes physiques et virtuels qui conduisent à un niveau supérieur d'automatisation et d'échange de données7,8,9. ,dix. L’Industrie 4.0 devrait évoluer progressivement vers l’Industrie 5.0 qui se caractérisera par de nouveaux progrès dans les technologies mentionnées ci-dessus10,11,12.

Dans l'Industrie 4.0, l'interconnexion de l'espace physique et virtuel est une étape cruciale nécessaire à la réalisation d'opérations intelligentes dans les processus de conception et de fabrication des matériaux13,14,15,16. L'espace physique dans une configuration de fabrication intelligente fait référence aux outils de fabrication, aux matières premières et aux ressources humaines. Tandis que l’espace virtuel comprend des ressources informatiques équipées de capacités de stockage et de partage de données ainsi que d’outils d’analyse de données. La convergence de ces deux espaces se fait actuellement grâce à un ensemble de capteurs embarqués ou via des dispositifs d'imagerie. Cependant, ces méthodes sont inefficaces et impliquent l’incorporation de corps étrangers dans le matériau ou la structure. Remplacer ces appareils par le matériau lui-même va révolutionner le paradigme de la fabrication numérique. Un tel matériel peut être « intelligent » et capable de détecter et de relayer les informations ou données collectées vers l’espace virtuel en temps réel.

Le graphène et d’autres matériaux 2D peuvent servir d’interface requise et permettre au matériau de communiquer directement avec le monde numérique17,18. Le graphène et les matériaux 2D associés font l'objet d'une recherche et d'un développement intensifs depuis plus d'une décennie, mais les produits utilisant ces matériaux n'ont pas encore conquis le marché. Le graphène, qualifié de « matériau miracle », devrait avoir un large éventail d’applications allant de l’électronique, des structures civiles/mécaniques et de la filtration de l’eau à la technologie portable, aux biocapteurs et à la médecine19. Cependant, en raison de l’ampleur et du coût de production, ces attentes n’ont pas pu se réaliser après plus d’une décennie20. Actuellement, les dispositifs générateurs de données (tels que les capteurs) basés sur des matériaux 2D en sont pour la plupart à leur niveau de maturité technologique (TRL) initial. Des recherches supplémentaires sont nécessaires afin d’augmenter les niveaux de préparation technologique et de fabriquer des prototypes de systèmes plus sophistiqués en vue d’un déploiement commercial. Afin d’accélérer le processus d’industrialisation des matériaux 2D et d’augmenter leur potentiel d’impact futur au niveau commercial, des outils associés tels que l’intelligence artificielle et la technologie blockchain doivent être développés et intégrés à ces dispositifs. L’une des applications potentielles des nanoparticules de graphène est de conférer une multifonctionnalité aux structures. Ces attributs multifonctionnels incluent la détection, le stockage d'énergie, le blindage EMI et l'amélioration des propriétés, etc.21,22,23,24.