带同轴激光的多喷射静电纺丝实时监测与闭环控制系统

让微小纤维更可靠

从空气过滤器和口罩到水处理与可穿戴电子设备，许多新兴技术依赖于称为纳米纤维的超薄纤维片。通常通过一种称为静电纺丝的技术制备这些纤维，该方法利用电场将液体拉成头发状的细丝。尽管该方法效能强大，但容易受扰动影响：微小干扰就能把平稳过程变成混乱，导致纤维质量不均。本研究提出了一种在多喷嘴静电纺丝过程中实时观察并自动校正的方法，为更可靠、可扩展地生产高质量纳米纤维材料铺平了道路。

电喷射如何纺出网状结构

在静电纺丝中，含溶解聚合物的液体通过细针被推进到金属收集板方向。强电场将每个针尖处的液滴拉成尖状，随后形成射流，射流在飞行过程中变细并干燥为固体纤维，然后落在收集板上。为提高产量，制造商倾向于同时使用多根针，生成多股射流以更快地堆积纳米纤维片。但各个射流的行为略有差异，气流、振动或液体流量的细微变化可能导致某些射流滴落、另一些消失、还有些表现异常。由于纤维极细且射流很微弱，尤其在使用多根针时，很难同时监控所有射流并在缺陷出现前调整工艺。

照亮看不见的射流

研究人员通过构建一个带三根特殊同轴针的多喷射静电纺丝装置来解决可见性问题，每根针同时传输聚合物溶液和一束狭窄的激光。激光在内针内运行并耦合到喷出的射流中，使针尖处的液滴和射流区域在相机上明亮可见，而不会干扰纺丝本身。一台高速工业相机对准射流形成区域，计算机接收图像，高压电源驱动电场。该布置使系统能够监测每个针尖处液滴（所谓的锥体）形状以及每股射流的可见直线长度，这些都是判定工艺是否产生优质纤维的关键指标。

教计算机读懂射流行为

为了将原始图像转化为有用信息，团队设计了一个针对多股射流的图像处理算法。首先对每帧图像进行清理和简化，将图像转换为黑白模式，以便发光的射流能显著地从背景中凸显出来。然后自动找到并框出每个射流周围的区域，避免了手动选择的需要。在每个框内，算法将类似液滴的锥体和下面的细射流分离，使用数字滤波去除噪声并区分较宽的锥体与窄细的射流。随后它追踪每股射流的中心线以测量其可见长度，并将锥体形状拟合为三角形、圆形或椭圆等简单几何形式以计算面积。所有这些处理每帧耗时不到40毫秒，足够快速以实时跟踪多股射流不断变化的行为。

从观察到实时纠正

测量射流仅是故事的一半；真正的进步在于利用这些测量值自动纠正工艺。基于实验，作者定义了四种基本的射流状态：无射流的悬挂液滴、非常细且不稳定的射流、产生均匀纤维的正常稳定射流，以及被拉回针内的后退射流。通过结合锥体面积和射流长度，计算机可以将每股射流分类到这些状态之一。随后它遵循简单的规则集：每当某股射流变得过短、过大或回缩时，系统便以小步长上调或下调施加电压，直到所有射流恢复到正常状态。由于电压变化对液体的作用几乎是即时的，该反馈回路可以快速应对扰动，而无需依赖较慢的液体供给调整。

更精确的控制，更好的纳米纤维

当研究人员比较有无该闭环控制系统生产的纳米纤维膜时，差异明显。没有自动纠正时，液滴会周期性地落到收集板上，造成纤维断裂和聚集，并导致纤维直径分布广泛。采用实时监测和电压调节后，射流保持在稳定状态，滴落在很大程度上被抑制，所得纳米纤维厚度更为均匀。对非专业读者来说，结论是：将智能成像、快速算法和简单反馈规则结合起来，可以把一个精细且难以控制的实验室工艺转变为更稳健的制造工具，帮助未来的过滤器、医疗材料和能源设备在规模化生产时更一致、更易实现。

引用: 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

关键词: 静电纺丝, 纳米纤维膜, 过程监测, 闭环控制, 基于图像的传感