Nanopartículas de grafeno como materiais digitais geradores de dados na indústria 4.0

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4945 (2023) Citar este artigo

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Uma das aplicações potenciais dos materiais 2D é aprimorar a multifuncionalidade de estruturas e componentes usados ​​nas indústrias aeroespacial, automotiva, civil e de defesa. Esses atributos multifuncionais incluem detecção, armazenamento de energia, blindagem EMI e aprimoramento de propriedade. Neste artigo, exploramos o potencial do uso do grafeno e suas variantes como elementos sensoriais geradores de dados na Indústria 4.0. Apresentamos um roteiro completo para abranger três tecnologias emergentes, ou seja, materiais avançados, inteligência artificial e tecnologia de cadeia de blocos. A utilidade de materiais 2D, como nanopartículas de grafeno, ainda não foi explorada como uma interface para digitalização de uma fábrica inteligente moderna, ou seja, "fábrica-do-futuro". Neste artigo, exploramos como compósitos aprimorados de material 2D podem atuar como uma interface entre espaços físicos e cibernéticos. É apresentada uma visão geral do emprego de sensores embarcados inteligentes baseados em grafeno em vários estágios dos processos de fabricação de compósitos e sua aplicação no monitoramento de integridade estrutural em tempo real. Os desafios técnicos associados à interface de redes de detecção baseadas em grafeno com o espaço digital são discutidos. Além disso, também é apresentada uma visão geral da integração de ferramentas associadas, como inteligência artificial, aprendizado de máquina e tecnologia blockchain com dispositivos e estruturas baseadas em grafeno.

Uma revolução industrial é um período de tempo em que ocorrem mudanças significativas na forma como os bens são produzidos, na medida em que transformam fundamentalmente a sociedade, e é caracterizada pela introdução de tecnologias disruptivas e novos métodos de produção1,2,3. Isso normalmente leva a maior eficiência, redução de custos, maior produção e amplo impacto econômico e social3. A primeira revolução industrial (Indústria 1.0) caracterizou-se pela introdução de métodos mecânicos de produção utilizando água e energia a vapor3,4. A Indústria 2.0 viu a introdução da produção em massa usando eletricidade e a linha de montagem5,6. A Indústria 3.0 introduziu o uso de tecnologia da informação, computadores e automação na produção, levando ao aumento da eficiência e customização6. A Indústria 4.0 leva isso adiante ao incorporar sistemas inteligentes e autônomos, inteligência artificial, robótica, Internet das Coisas (IoT), computação em nuvem e a integração de sistemas físicos e virtuais que levam a um nível maior de automação e troca de dados7,8,9 ,10. Espera-se que a Indústria 4.0 evolua gradualmente para a Indústria 5.0, que será caracterizada por mais avanços nas tecnologias mencionadas acima10,11,12.

Na Indústria 4.0, a interconexão do espaço físico e virtual é uma etapa crucial necessária para a realização de operações inteligentes nos processos de design e fabricação de materiais13,14,15,16. O espaço físico em uma configuração de manufatura inteligente refere-se às ferramentas de fabricação, matérias-primas e recursos humanos. Visto que o espaço virtual inclui recursos computacionais equipados com capacidade de armazenamento e compartilhamento de dados, bem como ferramentas de análise de dados. A convergência desses dois espaços é atualmente alcançada por meio de uma matriz de sensores embutidos ou por meio de dispositivos de imagem. No entanto, esses métodos são ineficientes e envolvem a incorporação de objetos estranhos dentro do material ou estrutura. A substituição desses dispositivos pelo próprio material revolucionará o paradigma da fabricação digital. Tal material pode ser "inteligente" e capaz de detectar e retransmitir as informações ou dados coletados para o espaço virtual em tempo real.

O grafeno e outros materiais 2D podem atuar como a interface necessária e fazer com que o material se comunique diretamente com o mundo digital17,18. O grafeno e os materiais 2D relacionados têm sido o foco de intensa pesquisa e desenvolvimento por mais de uma década, no entanto, os produtos que utilizam esses materiais ainda não conquistaram o mercado. Previa-se que o grafeno, denominado como um "material maravilhoso", teria uma ampla gama de aplicações, desde eletrônica, estruturas civis/mecânicas e filtragem de água até tecnologia vestível, biossensores e medicina19. No entanto, devido à escala e custo de produção, essas expectativas não puderam ser realizadas depois de mais de uma década20. Atualmente, os dispositivos de geração de dados (como sensores) baseados em materiais 2D estão em sua maioria em seus níveis iniciais de prontidão tecnológica (TRL). Mais pesquisas são necessárias para aumentar os níveis de prontidão da tecnologia e ter protótipos de sistemas mais sofisticados fabricados para implantação comercial. Para acelerar o caminho para a industrialização de materiais 2D e aumentar seu potencial de impacto futuro em nível comercial, ferramentas associadas, como inteligência artificial e tecnologia de cadeia de blocos, precisam ser desenvolvidas e integradas a esses dispositivos. Uma das aplicações potenciais das nanopartículas de grafeno é conferir multifuncionalidade às estruturas. Esses atributos multifuncionais incluem detecção, armazenamento de energia, blindagem EMI e aprimoramento de propriedades, etc.21,22,23,24.