Система мониторинга в реальном времени и замкнутого управления для многопучковой электроспиннинга с коаксиальным лазером

Делаем крошечные волокна более надежными

От воздушных фильтров и масок до очистки воды и носимой электроники — многие новые технологии опираются на листы ультратонких волокон, называемых нанофибрами. Эти волокна часто получают методом, известным как электроспиннинг, который с помощью электричества тянет жидкость в нитевидные струи. Хотя метод эффективен, он может быть капризным: небольшие возмущения превращают плавный процесс в беспорядочный, что приводит к неоднородному качеству волокон. В этой работе предложен способ наблюдать за многонопельным процессом электроспиннинга и автоматически корректировать его в реальном времени, что открывает путь к более надежному и масштабируемому производству высококачественных нанофибровых материалов.

Как электрические струи плетут сети

В электроспиннинге жидкость с растворённым полимером проталкивают через тонкие иглы к металлической пластине. Сильное электрическое поле растягивает каплю на конце каждой иглы в острую форму, затем в струю, которая истончается и высыхает в твердое волокно прежде, чем осесть на коллекторе. Для увеличения производительности производители предпочитают использовать сразу несколько игл, формируя множественные струи и наращивая листы нанофибр быстрее. Но каждая струя ведёт себя немного по‑разному: порывы воздуха, вибрация или незначительные изменения подачи жидкости могут привести к тому, что некоторые струи начнут капать, другие исчезнут, а третьи будут вести себя хаотично. Поскольку волокна очень тонкие, а струи слабо заметны, особенно при большом числе игл, трудно одновременно контролировать все струи и вовремя корректировать процесс до появления дефектов.

Освещая невидимые струи

Авторы решили проблему видимости, собрав установку для многопучкового электроспиннинга с тремя специальными коаксиальными иглами, по каждой из которых проходят и полимерный раствор, и узкий лазерный луч. Лазер проходит внутри внутренней иглы и накапливается в образующейся струе, заставляя каплю и область струи ярко светиться на камере без нарушения самого процесса распыления. Высокоскоростная промышленная камера направлена в область формирования струй, изображения поступают на компьютер, а высоковольтный источник создаёт электрическое поле. Такая схема позволяет системе наблюдать форму капли на конце каждой иглы (так называемый конус) и видимую прямую длину каждой струи — ключевые индикаторы того, вырабатывает ли процесс качественные волокна.

Обучение компьютера читать поведение струй

Чтобы превратить сырые изображения в полезную информацию, команда разработала алгоритм обработки изображений, рассчитанный на множественные струи. Сначала он очищает и упрощает каждый кадр, преобразуя его в чёрно‑белое изображение так, чтобы светящиеся струи чётко выделялись на фоне. Затем автоматически находит и обрамляет область вокруг каждой струи, исключая необходимость ручного выбора. Внутри каждой рамки алгоритм отделяет каплеобразный конус от тонкой струи ниже, используя цифровые фильтры для удаления шума и для различения более широкой формы конуса и узкой струи. Он затем трассирует центральную линию каждой струи, чтобы измерить её видимую длину, и аппроксимирует форму конуса простыми геометрическими фигурами, такими как треугольники, окружности или эллипсы, чтобы вычислить его площадь. Всё это происходит менее чем за 40 миллисекунд на кадр — достаточно быстро, чтобы в реальном времени отслеживать постоянно меняющееся поведение нескольких струй.

От наблюдения к исправлению в реальном времени

Измерение струй — это только половина дела; настоящее достижение — использование этих измерений для автоматической коррекции процесса. На основе экспериментов авторы определили четыре основных состояния струи: свисающая капля без струи, очень тонкая и нестабильная струя, нормальная стабильная струя, которая даёт равномерные волокна, и возвращающаяся струя, втягиваемая обратно в иглу. Сочетая площадь конуса и длину струи, компьютер может классифицировать каждую струю в одно из этих состояний. Затем он следует простому набору правил: когда струя становится слишком короткой, слишком большой или втягивается, система слегка повышает или понижает приложенное напряжение малыми шагами, пока все струи не вернутся в нормальное состояние. Поскольку изменения напряжения действуют практически мгновенно на жидкость, этот контур обратной связи способен быстро реагировать на возмущения без опоры на более медленные регулировки подачи жидкости.

Более точное управление — лучшие нанофибры

Когда исследователи сравнили нанофибровые мембраны, полученные с использованием замкнутой системы управления и без неё, разница стала очевидна. Без автоматической коррекции капли периодически падали на коллектор, разрывая и скомкaвывая волокна и приводя к большому разбросу по диаметру волокон. При мониторинге в реальном времени и регулировке напряжения струи сохраняли стабильное состояние, капание в значительной степени подавлялось, и полученные нанофибры имели гораздо более однородную толщину. Для непосвящённых главный вывод таков: сочетание интеллектуального визуального контроля, быстрых алгоритмов и простых правил обратной связи может превратить деликатный, трудноуправляемый лабораторный процесс в более надёжный производственный инструмент, помогая будущим фильтрам, медицинским материалам и энергетическим устройствам стать более единообразными и проще в массовом производстве.

Цитирование: 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

Ключевые слова: электроспиннинг, нанофибровые мембраны, мониторинг процесса, замкнутое управление, сенсоры на основе изображений