מערכת ניטור בזמן אמת ובקרת משוב סגור להקטנת ביצים מרובות באלקטרו-ספינינג עם לייזר קואקסיאלי

להפוך סיבים זעירים לאמינים יותר

מסנני אוויר ומסכות פנים ועד טיהור מים ואלקטרוניקה לבישה — טכנולוגיות רבות נשענות על מחצלים של סיבים דקיקים מאוד שנקראים ננו-סיבים. סיבים אלה מיוצרים לעיתים קרובות בטכניקה הנקראת אלקטרו-ספינינג, שמושכת נוזל לחוטים דמויי שיער באמצעות חשמל. למרות שהשיטה יעילה, היא רגישה להפרעות: שיבושים קלים יכולים להפוך תהליך חלקי לבלתי יציב, ולגרום לאי-אחידות באיכות הסיבים. מחקר זה מציג דרך לצפות בתהליך אלקטרו-ספינינג רב-תאית ולתקן אותו אוטומטית בזמן אמת, מה שמאפשר ייצור יציב וקנה-מידה של חומרים ממברנתיים באיכות גבוהה.

כיצד מיצרים רשתות באמצעות זרמי חשמל

באלקטרו-ספינינג דוחפים נוזל שמכיל פולימר מומס דרך מחטים דקות לעבר פלטת איסוף מתכתית. שדה חשמלי חזק ממתח את הטיפה בקצה כל מחט לצורה מחודדת ואז ליצירת זרם (ג'ט), שמתעבה ומתייבש לסיב מוצק לפני שהוא נוחת על הפלטה. כדי להגביר את התפוקה, יצרנים מעדיפים להשתמש במספר מחטים במקביל, מה שיוצר ג'טים מרובים ובונה במהירות רבה יותר מחצלים של ננו-סיבים. אולם כל ג'ט מתנהג מעט אחרת, ורוחות, רטט או שינויים זעירים בזרימת הנוזל עלולים לגרום לחלק מהג'טים לטפטף, לאחרים להיעלם ולאחרים להתנהג בצורה לא יציבה. מאחר שהסיבים קטנים מאוד והג'טים חלשים, במיוחד כשמפעילים כמה מחטים, קשה לעקוב אחרי כולם בו-זמנית ולבצע התאמות לפני שמופיעים פגמים.

להאיר ג'טים בלתי נראים

החוקרים פתרו בעיית נראות זו על-ידי בניית מערך אלקטרו-ספינינג רב-ג'טים עם שלוש מחטי קואקסיאלי מיוחדות, שכל אחת נישאת גם תמיסת פולימר וגם קרן לייזר צרה. הלייזר עובר בתוך המחט הפנימית ומתממשק לתוך הג'ט היוצא, מה שהופך את אזור הטיפה והג'ט לזהור בחוזקה במצלמה מבלי להפריע לתהליך הסיב. מצלמה תעשייתית מהירה מכוונת לאזור בו נוצרות הג'טים, בעוד מחשב מקבל את התמונות וספק כוח במתח גבוה מייצר את השדה החשמלי. סידור זה מאפשר למערכת לצפות בצורה הטיפה בכל קצה מחט (הקונוס) ואת האורך הישיר הנראה של כל ג'ט — אינדיקטורים מרכזיים לכך שהתהליך מייצר סיבים באיכות טובה.

ללמד מחשב לקרוא התנהגות ג'טים

כדי להפוך תמונות גולמיות למידע שימושי, הצוות תיכנן אלגוריתם עיבוד תמונה המותאם לריבוי ג'טים. תחילה הוא מנקה ומפשט כל פריים, ממיר אותו לשחור-לבן כך שהג'טים הזוהרים יבלטו בבירור מהרקע. לאחר מכן הוא אוטומטית מזהה ומסגור את האזור סביב כל ג'ט, ובכך חוסך צורך בבחירה ידנית. בתוך כל מסגרת האלגוריתם מפריד בין הקונוס הדמוי-טיפה לג'ט הדק מתחתיו, משתמש בסינון דיגיטלי כדי להסיר רעש ולהבדיל בין הקונוס הרחב לג'ט הצר. הוא עוקב אחר קו-המרכז של כל ג'ט כדי למדוד את אורכו הנראה ומתאים את צורת הקונוס לצורות גיאומטריות פשוטות כמו משולשים, מעגלים או אליפסות כדי לחשב את שטחו. כל זאת קורה בפחות מ-40 מילישניות לפריים, מהיר מספיק לעקוב אחר ההתנהגות המשתנה כל הזמן של ג'טים מרובים בזמן אמת.

מצפייה לתיקון בזמן אמת

מדידת הג'טים היא רק חצי מהסיפור; ההתקדמות האמיתית היא שימוש במדידות הללו לתיקון התהליך באופן אוטומטי. בהתבסס על ניסויים, המחברים הגדירו ארבעה מצבי ג'ט בסיסיים: טיפה תלויה ללא ג'ט, ג'ט דק ולא יציב מאוד, ג'ט יציב ונורמלי המייצר סיבים אחידים, וג'ט נסוג שנמשך חזרה לתוך המחט. על ידי שילוב שטח הקונוס ואורך הג'ט, המחשב יכול לסווג כל ג'ט לאחד מהמצבים הללו. אחר כך הוא פועל לפי סט כללים פשוט: כשרוחב הג'ט קצר מדי, גדול מדי או נסוג, המערכת מעלה או מורידה את המתח המוחל בצעדים קטנים עד שכל הג'טים חוזרים למצב הנורמלי. מאחר ששינויים במתח משפיעים כמעט מיד על הנוזל, לולאת המשוב הזו יכולה להגיב במהירות להפרעות מבלי להסתמך על התאמות איטיות יותר להזנת הנוזל.

בקרה חדה יותר, ננו-סיבים טובים יותר

כשהחוקרים השוו ממברנות ננו-סיבים שיוצרו עם וללא מערכת בקרת המשוב הסגור, ההבדל היה ברור. ללא תיקון אוטומטי, טיפות נפלו מדי פעם על המאגר, שברו וגרמו לקיבוץ הסיבים וגרמו לפיזור רחב בקוטר הסיבים. עם ניטור בזמן אמת והתאמת מתח, הג'טים נשארו במצב יציב, הטפטוף דוכא ברובו והננו-סיבים שהתקבלו היו בעלי עובי אחיד הרבה יותר. בעבור הקוראים שאינם מומחים, המסקנה היא ששילוב של הדמיה חכמה, אלגוריתמים מהירים וחוקי משוב פשוטים יכול להפוך תהליך מעבדה עדין וקשה לשליטה לכלי ייצור חסון יותר, ולסייע לכך שסננים, חומרים רפואיים ומכשירי אנרגיה בעתיד יהיו עקביים וקלים יותר לייצור בקנה מידה תעשייתי.

ציטוט: Jiang, J., Sun, Z., Chen, J. et al. Real-time monitoring and closed-loop control system for multi-jet electrospinning with coaxial laser. Sci Rep 16, 8225 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39655-5

מילות מפתח: אלקטרו-ספינינג, ממברנות ננו-סיבים, ניטור תהליך, בקרת משוב סגור, חישה מבוססת תמונה