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

Aug 28, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 4945 (2023) Citar este artigo

3620 acessos

2 citações

6 Altmétrico

Detalhes das métricas

Uma das aplicações potenciais dos materiais 2D é melhorar a multifuncionalidade de estruturas e componentes utilizados nas indústrias aeroespacial, automotiva, civil e de defesa. Esses atributos multifuncionais incluem detecção, armazenamento de energia, blindagem EMI e aprimoramento de propriedades. Neste artigo, exploramos o potencial do uso do grafeno e suas variantes como elementos geradores de dados sensoriais na Indústria 4.0. Apresentamos um roteiro completo para cobrir 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 interface para a digitalização de uma fábrica inteligente moderna, ou seja, “fábrica do futuro”. Neste artigo, exploramos como os compósitos aprimorados com materiais 2D podem atuar como uma interface entre os espaços físicos e cibernéticos. É apresentada uma visão geral do emprego de sensores inteligentes incorporados baseados em grafeno em vários estágios dos processos de fabricação de compósitos e sua aplicação no monitoramento da saúde estrutural em tempo real. São discutidos os desafios técnicos associados à interface de redes de sensores baseadas em grafeno com o espaço digital. 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. Isto normalmente leva a um aumento da eficiência, à redução de custos, a uma maior produção e a um impacto económico e social generalizado3. A primeira revolução industrial (Indústria 1.0) foi caracterizada pela introdução de métodos de produção mecânica utilizando água e energia a vapor3,4. A Indústria 2.0 viu a introdução da produção em massa utilizando 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 vai além 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 adicional 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 novos avanços nas tecnologias acima mencionadas10,11,12.

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. Considerando que o espaço virtual inclui recursos computacionais equipados com capacidades de armazenamento e compartilhamento de dados, bem como ferramentas de análise de dados. A convergência destes dois espaços é atualmente conseguida através de uma série de sensores incorporados ou através de dispositivos de imagem. No entanto, estes métodos são ineficientes e envolvem a incorporação de objetos estranhos no material ou estrutura. A substituição de tais dispositivos pelo próprio material revolucionará o paradigma da fabricação digital. Tal material pode ser “inteligente” e capaz de detectar e transmitir as informações ou dados coletados para o espaço virtual em tempo real.

O grafeno e outros materiais 2D podem atuar como interface necessária e fazer com que o material se comunique diretamente com o mundo digital17,18. O grafeno e materiais 2D relacionados têm sido foco de intensa pesquisa e desenvolvimento há mais de uma década, no entanto, os produtos que utilizam esses materiais ainda não conquistaram o mercado. Previa-se que o grafeno, denominado “material maravilhoso”, teria uma ampla gama de aplicações que vão desde eletrônica, estruturas civis/mecânicas e filtragem de água até tecnologia vestível, biossensores e medicina19. No entanto, devido à escala e ao custo de produção, estas expectativas não puderam ser concretizadas após mais de uma década20. Atualmente, os dispositivos geradores 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 tecnológica e ter sistemas de protótipos mais sofisticados fabricados para implantação comercial. A fim de acelerar o caminho para a industrialização de materiais 2D e aumentar o seu potencial de impacto futuro a nível comercial, é necessário desenvolver e integrar ferramentas associadas, como a inteligência artificial e a tecnologia de cadeia de blocos, com estes 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.