Công cụ học sâu tăng cường độ phân giải hình ảnh tia X và hiệu suất pin nhiên liệu hydro
của Neil Martin, Đại học New South Wales
Quét tia X 3D của pin nhiên liệu hydro, hiển thị các sợi dệt, màng và chất xúc tác bằng giấy carbon (màu đen). Ảnh: Tiến sĩ Quentin Meyer
Các nhà nghiên cứu từ UNSW Sydney đã phát triển một thuật toán tạo ra các hình ảnh mô hình có độ phân giải cao từ chụp cắt lớp vi tính X-quang vi tính (CT) có độ phân giải thấp hơn.
Quy trình mới, được trình bày chi tiết trong một bài báo xuất bản trên Nature Communications, đã được thử nghiệm trên từng tế bào nhiên liệu hydro riêng lẻ để mô hình hóa chính xác chi tiết bên trong và có khả năng cải thiện hiệu quả của chúng.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết nó cũng có thể được sử dụng trong tương lai trên tia X của con người để giúp các chuyên gia y tế hiểu rõ hơn về các cấu trúc tế bào nhỏ bên trong cơ thể, từ đó có thể cho phép chẩn đoán nhiều loại bệnh tốt hơn và nhanh hơn.
Nhóm bao gồm Giáo sư Ryan Armstrong, Giáo sư Peyman Mostaghimi, Tiến sĩ Ying Da Wang và Kunning Tang từ Trường Kỹ thuật Tài nguyên Khoáng sản và Năng lượng và Giáo sư Chuan Zhao và Tiến sĩ Quentin Meyer từ Trường Hóa học, đã phát triển thuật toán để cải thiện sự hiểu biết về những gì đang xảy ra bên trong Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC).
PEMFC sử dụng nhiên liệu hydro để tạo ra điện và là nguồn năng lượng sạch và yên tĩnh có thể cung cấp năng lượng cho các hộ gia đình, xe cộ và các ngành công nghiệp.
Những pin nhiên liệu này chuyển đổi hydro, thông qua quá trình điện hóa, thành điện năng với sản phẩm phụ duy nhất của phản ứng là nước tinh khiết.
Tuy nhiên, PEMFC có thể trở nên kém hiệu quả nếu nước không thể chảy ra khỏi tế bào một cách hợp lý và sau đó làm "ngập" hệ thống. Cho đến nay, rất khó để các kỹ sư hiểu được chính xác cách thức mà nước thoát ra, hoặc thực sự đọng lại, bên trong pin nhiên liệu do kích thước rất nhỏ và cấu trúc rất phức tạp của chúng.
Độ phân giải được cải thiện
Giải pháp do các nhà nghiên cứu của UNSW tạo ra cho phép học sâu tạo mô hình 3D chi tiết bằng cách sử dụng hình ảnh tia X có độ phân giải thấp hơn của tế bào, đồng thời ngoại suy dữ liệu từ bản quét có độ phân giải cao đi kèm của một phần nhỏ của tế bào.
Nói một cách cơ bản hơn, nó tương đương với việc chụp một bức ảnh chụp từ trên không mờ của toàn bộ thị trấn từ một chiếc máy bay, cùng với một bức ảnh rất chi tiết về chỉ một vài con phố, sau đó có thể dự đoán chính xác bố cục của mọi con đường trong đó. toàn bộ khu vực.
Thuật toán của nhóm nghiên cứu cho phép họ tạo mô hình 3D của pin nhiên liệu hydro này bằng cách sử dụng hình ảnh tia X 3D có độ phân giải siêu cao với phân đoạn học máy của từng vật liệu (ở giữa) và các kênh dòng khí và nước được phủ nhân tạo (trên và dưới). Tín dụng: Tiến sĩ Quentin Meyer
Giáo sư Armstrong nói: “Một trong những lý do nghiên cứu này rất mới lạ là chúng tôi đang đẩy giới hạn của những gì có thể tạo ra từ hình ảnh.
"Điều rất điển hình là khi bạn sử dụng một phần cứng, cho dù đó là kính hiển vi hay máy quét CT, thì độ phân giải của hình ảnh càng tệ hơn khi bạn càng thu nhỏ.
"Kỹ thuật máy học của chúng tôi giải quyết vấn đề đó và phương pháp này được áp dụng rộng rãi ở những nơi đang diễn ra bất kỳ hình ảnh nào, chẳng hạn như ứng dụng y tế, ngành dầu khí hoặc kỹ thuật hóa học.
"Chúng tôi đã thực hiện công việc siêu phân giải sơ bộ với các bác sĩ X quang trước đây và chúng tôi có thể phỏng đoán rằng bằng cách thu được hình ảnh có độ phân giải cao hơn từ trường quan sát lớn hơn, có thể chẩn đoán bệnh sớm hơn, chẳng hạn như tế bào khối u, khi chúng còn nhỏ hơn. "
Thuật toán DualEDSR
Tiến sĩ Wang cho biết trong nghiên cứu đã công bố thuật toán siêu phân giải của họ, được gọi là DualEDSR, cải thiện trường nhìn khoảng 100 lần so với hình ảnh có độ phân giải cao.
Và anh ấy đồng ý rằng việc triển khai trong hình ảnh y tế là một bước phát triển thú vị trong tương lai.
"Nếu bạn nhìn vào những gì chúng tôi đang làm hiện nay và áp dụng nó vào lĩnh vực y tế, thì sẽ rất thú vị khi có thể chụp ảnh các mạch máu và dòng chảy của các tế bào hồng cầu qua mạng lưới mao mạch một cách chi tiết hơn nữa," ông nói .
"Các phương pháp mô hình hóa và hình ảnh ngoài phần cứng này mở rộng ra ngoài hình ảnh pin nhiên liệu để cho phép chụp ảnh có độ phân giải cao hơn với các trường quan sát lớn hơn so với thực tế trước đây."
Một hạn chế đối với quy trình lập mô hình như được trình bày chi tiết trong nghiên cứu là trên thực tế, hình ảnh có độ phân giải thấp ở quy mô lớn hơn và hình ảnh có độ phân giải cao ở quy mô nhỏ hơn cần phải được chụp ở cùng một vị trí, bằng cùng một máy.
Video mô phỏng quá trình hình thành, tích tụ và vận chuyển nước trong pin nhiên liệu hydro, sử dụng mô phỏng điện toán tiên tiến (Lattice-Botlzmann) và mô hình 3D của pin nhiên liệu trong các điều kiện vận hành khác nhau. Tín dụng: Đại học New South Wales
Chúng được gọi là máy quét "Khu vực quan tâm" và là những thiết bị chuyên dụng hiện có thể không có sẵn tại nhiều cơ sở.
Tuy nhiên, nhóm hy vọng rằng nghiên cứu sâu hơn sẽ cho phép các kỹ thuật học sâu tạo ra kết quả tương tự trong tương lai khi hiển thị các hình ảnh không được chụp ở cùng một vị trí và có khả năng thậm chí không sử dụng chính xác cùng một công cụ hoặc vật liệu.
PEMFC cung cấp nhiên liệu nhanh
Hiện tại, các nhà nghiên cứu có thể cung cấp mô hình 3D chi tiết bên trong PEMFC để các nhà sản xuất cải thiện việc quản lý nước được sản xuất và làm cho pin nhiên liệu hiệu quả hơn.
Trong quá trình đào tạo và thử nghiệm DualEDSR, thuật toán đã đạt được độ chính xác 97,3% khi tạo mô hình có độ phân giải cao từ hình ảnh có độ phân giải thấp. Nó cũng tạo ra một mô hình có độ phân giải cao chỉ trong 1 giờ, so với 1.188 giờ (tương đương với 50 ngày không ngừng nghỉ) mà lẽ ra nó phải mất để thu được hình ảnh độ phân giải cao của toàn bộ phần của pin nhiên liệu bằng cách sử dụng máy vi tính. máy quét CT.
Tiến sĩ Meyer cho biết: “Từ mô hình của chúng tôi, chúng tôi có thể thấy nhanh chóng và chính xác nơi nước có xu hướng tích tụ và do đó, chúng tôi có thể giúp giải quyết những vấn đề đó trong các thiết kế trong tương lai”.
"Trong ngành, người ta biết rằng có thể cải thiện hiệu suất rất lớn chưa được khai thác bằng cách sử dụng các tế bào này, chỉ bằng cách cải thiện quản lý nước và ước tính tổng thể sẽ tăng 60%.
"Trong 20 năm qua, cho đến tận bây giờ, rất khó để có một mô hình chính xác của các loại pin nhiên liệu này vì sự phức tạp của cả vật liệu và cách thức vận chuyển khí và chất lỏng, cũng như các phản ứng điện hóa xảy ra. địa điểm.
"Nhóm liên ngành của chúng tôi đã giúp chúng tôi làm được điều đó, mang đến rất nhiều kiến thức chuyên môn khác nhau. Đó chính là nội dung của nghiên cứu."
Các PEMFC hiệu quả hơn có thể là một yếu tố quan trọng trong việc cung cấp điện sạch và thân thiện với môi trường trong tương lai, do thực tế là chúng chỉ thải ra nước và nhiệt. Ngoài ra, chúng nhỏ gọn và nhẹ nên phù hợp để sử dụng trên xe cộ.
Chúng cũng có thể được tiếp nhiên liệu nhanh chóng, nhanh như đổ xăng cho ô tô, mang lại cho chúng lợi thế chính so với xe điện chạy bằng pin, vốn có thể mất nhiều giờ ngay cả với bộ sạc nhanh.
