جعل إعادة التدوير أكثر فعالية من حيث التكلفة باستخدام الذكاء الاصطناعي: رؤى من أبحاث NIST

يمكن أن تكون إعادة التدوير بمثابة نفقات كبيرة للحكومات المحلية، ولكن الذكاء الاصطناعي قد يساعد في خفض هذه التكاليف وربما يزيد معدلات إعادة التدوير. يعمل الباحثون في NIST على جعل إعادة التدوير أكثر كفاءة وأقل تكلفة.

هل تساءلت يومًا ماذا يحدث للبلاستيك بعد رميه في "سلة المحذوفات"؟

لقد ظهر هذا السؤال في الأخبار كثيرًا مؤخرًا.

الجواب معقد للغاية. يعتمد الأمر على المكان الذي تعيش فيه ونوع البلاستيك الذي تخلصت منه.

يعد جمع المواد القابلة لإعادة التدوير تكلفة باهظة للحكومات المحلية. إنهم بحاجة إلى الحفاظ على مرافق لمعالجة المواد البلاستيكية، وكذلك الشاحنات وصناديق القمامة لجمعها. يحتاجون أيضًا إلى توظيف أشخاص للقيام بهذه المهمة. سيكون من الأرخص بكثير رمي كل شيء في مدافن النفايات.

ومع ذلك، عندما تقوم الحكومات المحلية بإعادة التدوير، يمكنها تحويل القمامة إلى أموال نقدية إذا كانت لديها البنية التحتية المناسبة. يمكنهم تعويض بعض التكاليف عن طريق بيع المواد البلاستيكية المجمعة إلى الشركات المصنعة. تريد معظم الشركات المصنعة أن تكون المواد البلاستيكية المعاد تدويرها بنفس جودة المنتجات الجديدة تقريبًا، الأمر الذي يتطلب فرزًا دقيقًا لتوفير منتجات متسقة.

بالنسبة لمعظم الناس، جميع المواد البلاستيكية تبدو متشابهة. لكن العيون الثاقبة تعرف أن هناك سبعة أنواع شائعة من البلاستيك. يمكنك التعرف عليها من خلال رموز إعادة التدوير الصغيرة الموجودة أسفل جميع الحاويات البلاستيكية تقريبًا. تساعد هذه الأرقام في تحديد التركيب الكيميائي لتلك المواد البلاستيكية. ربما لاحظتها عند فرز إعادة التدوير الخاصة بك.

وفيما يلي تفصيل لبعض هذه المواد:

مادة	الاستخدامات الشائعة	كود إعادة التدوير
البولي ايثلين	زجاجات الصودا، وزجاجات المياه	1 – بيت
بولي ايثيلين عالي الكثافة	أباريق الحليب، وزجاجات المنظفات	2 – البولي إيثيلين عالي الكثافة
البولي فينيل كلورايد	الأنابيب، ستائر الحمام	3 – بي في سي
بولي إيثيلين قليل الكثافة	أكياس البقالة، أكياس ساندويتش	4 – البولي إثيلين المنخفض الكثافة
البولي بروبلين	حاويات الوجبات الجاهزة، أكواب الزبادي	5 – ب
البوليسترين	أكواب القهوة القابل للتصرف	6 – ملاحظة
آخر	نظارات السلامة، وأقراص الفيديو الرقمية، والعديد من زجاجات المياه القابلة لإعادة الاستخدام	7 – أخرى

فرز هذه المواد البلاستيكية أمر بالغ الأهمية. في كثير من الأحيان لا يمكن خلط أنواع مختلفة من البلاستيك ذات خصائص مماثلة لأنها تتطلب عمليات ذوبان مختلفة.

خذ PVC، على سبيل المثال. يتم استخدامه في كل شيء بدءًا من الأنابيب وحتى ستائر الدش. ينتج PVC المنصهر حمضًا قويًا مفيدًا في العديد من التطبيقات الصناعية. ولكن، مثل العديد من الأحماض الأخرى، فهو ليس شيئًا تريد صنعه بشكل غير متوقع.

البولي أوليفينات، وهي مجموعة من المواد البلاستيكية بما في ذلك HDPE (المستخدم في أباريق الحليب)، وLDPE (المستخدم في الأكياس البلاستيكية)، وPP (المستخدم في حاويات تناول الطعام خارج المنزل)، تقدم مثالاً أكثر اعتدالًا. هذه المواد البلاستيكية تشكل حوالي 40% من إنتاج البلاستيك في العالم. كما أنها من أصعب الأنواع في الفرز.

يحتاج نوع البلاستيك المستخدم في أباريق الحليب إلى درجات حرارة عالية حتى يذوب ويعاد معالجته بسبب بنيته البلورية. ومع ذلك، إذا اختلطت ملوثات الأكياس البلاستيكية، فإن تلك الأكياس تتحلل عند درجات الحرارة المرتفعة هذه. لذا، إذا تم خلط كيس بلاستيكي بأباريق الحليب، فقد يؤدي ذلك إلى ظهور مجموعة من أباريق الحليب ذات الألوان غير الصالحة للاستخدام. تعد مخاطر المعالجة هذه أحد الأسباب وراء عدم رؤية العديد من أباريق الحليب المصنوعة من البلاستيك المعاد تدويره.

بالإضافة إلى ذلك، إذا انتهى الأمر ببعض المواد المستقرة ذات درجة الحرارة العالية من حاويات الوجبات الجاهزة إلى خط معالجة الأكياس البلاستيكية، فقد ترى انسدادات في الماكينة.

يقوم العمال في مركز إعادة التدوير بمقاطعة مونتغومري بفرز المواد لإعادة تدويرها.

من الناحية النظرية، يمكنك بسهولة فرز النفايات البلاستيكية باستخدام رموز إعادة التدوير الصغيرة. بعد ذلك، يمكنك بيع هذه المواد البلاستيكية المفروزة إلى القائمين بإعادة التدوير الثانويين، الذين يحولونها إلى منتجات.

السعر يعتمد على النقاء المفترض للبلاستيك. قد يتم بيع مجموعة كبيرة من زجاجات المنظفات البرتقالية بسعر مرتفع لأنه من السهل اختيارها. ومع ذلك، قد يتم بسهولة خلط كومة من حاويات الوجبات الجاهزة بألوان أو إضافات مختلفة.

في منشأة إعادة التدوير المحلية في مقاطعة مونتغمري بولاية ميريلاند، يقوم الأشخاص بفرز زجاجات المنظفات وحاويات الطعام وغير ذلك يدويًا. ومع ذلك، لا يمكن لليدين والعينين التحرك إلا بسرعة كبيرة، ومن السهل ارتكاب الأخطاء بهذه السرعة. لذلك، تركز مرافق إعادة التدوير على فرز المواد البلاستيكية ذات القيمة العالية أو التي يسهل التعرف عليها للحفاظ على الاتساق عند البيع إلى القائمين بإعادة التدوير الثانوي. وهذا يعني إعادة تدوير زجاجات المنظفات وحاويات المشروبات بمعدلات عالية. قد لا تكون "أدوات المائدة" البلاستيكية وألعاب الأطفال القديمة كذلك.

للمساعدة في الفرز، ركز عملنا في NIST على استخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، وهي تقنية يمكنها التعرف بسرعة على المواد البلاستيكية المختلفة. تستخدم بعض مرافق إعادة التدوير الكبرى بالفعل الأضواء أو الكاميرات "لرؤية" وفرز زجاجات الصودا من الأنابيب البلاستيكية.

لكن هذه الأنظمة لا تستطيع فرز كل شيء. يركز بحثي على إنشاء طريقة للمساعدة في فرز المواد البلاستيكية الأكثر صعوبة حتى يتمكن القائمون على إعادة التدوير من تحقيق الربح.

كيف نجعل إعادة التدوير أكثر كفاءة

ومع أخذ ذلك في الاعتبار، نظر فريقنا إلى طريقة NIR هذه وقرر تحسينها باستخدام خوارزميات التعلم الآلي والتقنيات العلمية الأخرى.

في التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء، يتم تسليط أطوال موجية مختلفة من الضوء على بعض الجزيئات. تمتص هذه الجزيئات جزءًا من طاقة الضوء بأطوال موجية محددة وتعكس أو تنقل الباقي.

إحدى الطرق للتفكير في هذا هي الزهور والألوان. على سبيل المثال، عندما تسلط عدة أطوال موجية من ضوء الشمس على وردة حمراء، تكون الوردة جيدة جدًا في امتصاص كل طول موجي/لون باستثناء اللون الأحمر. ينعكس الضوء الأحمر على البتلات، ولهذا تبدو الوردة حمراء بالنسبة لنا.

إذا عرفنا لون وشدة الضوء الذي نسلطه على زهرة أو زجاجة بلاستيكية واللون/الكثافة التي نحصل عليها، يمكننا استخدام الاختلافات لتحديد المزيد من هذه الزهور أو الزجاجات، مثل بصمة الإصبع.

باستخدام التعلم الآلي، يمكننا العثور على بصمات NIR للعديد من المواد البلاستيكية. نقوم بعد ذلك "بتدريب" أجهزة الكمبيوتر للتعرف على المواد البلاستيكية بناءً على إشارات NIR الجديدة مقارنة بإشارات NIR البلاستيكية الأخرى. يساعد هذا التدريب التكنولوجيا على التعرف على المواد الموجودة في زجاجات الصودا، وفهم كيفية اختلافها عن حاويات الوجبات الجاهزة، وفصلها وفقًا لذلك.

في بحثنا الأول، استخدمنا التعلم الآلي لربط إشاراتنا البلاستيكية بخصائص معينة (مثل مدى كثافة البولي إيثيلين وبلورته). عادة، يمكنك قياس الكثافة عن طريق وزن البلاستيك في سوائل مختلفة ومقارنة الاختلافات. إنها عملية بطيئة ومملة للغاية.

ومع ذلك، فقد أظهرنا أنه يمكنك العثور على نفس المعلومات تقريبًا باستخدام الضوء المنعكس، بشكل أسرع بكثير. على خط إعادة التدوير، الوقت أمر بالغ الأهمية.

يمكنك تطبيق هذه الطريقة على العينات الكبيرة والصغيرة. وهذا أمر رائع لأنه يوضح أنه إذا قمنا بإعداد الأشياء بعناية، فيمكننا الحصول على مزيد من المعلومات من هذه القياسات المعتمدة على الضوء.

لا يزال هذا عملًا تمهيديًا جدًا ولا ينطبق على جميع أنواع البلاستيك حتى الآن. لذلك، لا يمكننا تسليط الضوء على أي نوع من البلاستيك ومعرفة خصائصه الدقيقة، لكنها بداية مثيرة. إذا تمكنا من توسيع نطاقه، فيمكن أن يوفر ذلك على القائمين بإعادة التدوير والمصنعين الكثير من الوقت والجهد في خطوات مراقبة الجودة.

منذ نشر هذا العمل، كنت أتعمق في كيفية التعامل مع جميع البيانات من هذه القياسات. وينتهي بك الأمر ببيانات مختلفة تمامًا بناءً على شكل البلاستيك وما إذا كانت العينة عبارة عن حبيبة أو مسحوق أو زجاجة.

وذلك لأن الضوء لا يزال ينعكس، ولكنه ينعكس في اتجاهات مختلفة حسب شكل البلاستيك. تخيل الانعكاسات على بركة صافية مقابل بركة بها العديد من التموجات. بعد ذلك، يمكنك إضافة الأصباغ والمواد الحافظة التي قد تغير الإشارة حقًا. وهذا لا يجعل البيانات خاطئة، ولكنه قد يؤثر على عملية الفرز. يمكنك التفكير في الأمر على أنه تصنيف لصور الأشخاص بالأبيض والأسود مقابل نفس الأشخاص باللونين الأبيض والأسود والألوان والرسوم الهزلية واللوحات.

ولمعالجة هذه المشكلة، قام الفريق بتوسيع مجموعة البيانات الخاصة بنا، وأنا أبحث عن حلول رياضية لوضع المساحيق والكريات والمواد البلاستيكية الملونة في نفس الملعب. إذا تمكنا من القيام بذلك، فإن تحديد نوع البلاستيك الذي يستخدم التعلم الآلي يصبح أسهل.

لجعل هذا البحث مفيدًا على نطاق أوسع، أعمل على إظهار أنه بإمكاننا فرز تلك البولي أوليفينات الصعبة. باستخدام طريقتي الحالية، وصلنا إلى دقة 95% إلى 98% في فرز هذه المواد البلاستيكية. نحن نقوم بذلك من خلال العمليات التي يمكن لأي منشأة إعادة تدوير مجهزة بـ NIR البدء في استخدامها بسرعة.

قد تكون العديد من مرافق إعادة التدوير تستخدم بالفعل خوارزميات مماثلة، ولكن هذا العمل يوفر مستوى إضافيًا من التحسين، مع التركيز بشكل خاص على البولي أوليفينات التي يصعب فرزها.

إذا تمكنا من فرز هذه العناصر بشكل فعال، فيمكننا إعادة استخدامها مع مشاكل معالجة أقل، مما يجعل إعادة التدوير أكثر ربحية. وبعد ذلك، نأمل أن تؤدي الأرباح إلى تحسين عادات إعادة التدوير، ويمكننا البدء في تحويل اقتصادنا الخطي إلى اقتصاد دائري.

إعادة التدوير باعتبارها لغزًا يجب حله

أنا أحل المشكلات، وأقفز من لغز إلى آخر.

إلى جانب أبحاث البوليمرات، عملت على أنظمة توصيل الأدوية لسرطان المبيض، والآن أستخدم الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي.

أحب فعل الخير أثناء حل المشكلات المعقدة. لقد كانت الاستدامة والمواد الصديقة للبيئة موضوعًا رائعًا طوال مسيرتي البحثية.

قد لا ترى في البداية العلاقة بين أبحاث الطب الحيوي والبلاستيك. لكن أنظمة توصيل الأدوية يمكن أن تساعد في إنشاء مواد رائعة حقًا مع تطبيقات تتجاوز نطاق الطب. يمكن للعمل البلاستيكي أيضًا أن يعزز فهمنا للحمض النووي والبروتينات والكولاجين في أجسامنا.

والآن، ومع انتشار الذكاء الاصطناعي، أصبح لدينا أدوات جديدة لإجراء أبحاث المواد بشكل أسرع وأكثر كفاءة. إنه وقت مثير في مجال المواد المستدامة!

المستقبل من فرز بحث

أقوم حاليًا بإنهاء عقد لمدة عامين في NIST وأبحث عن اللغز التالي لحله.

ومع ذلك، أخطط للبقاء على اتصال مع NIST كعضو تابع لمساعدة الباحثين الآخرين على استخدام تقنياتي.

آمل أن أساعد مجتمع إعادة التدوير الأوسع على استخدام تحليلات البيانات لتحسين إعادة التدوير لدينا والمساعدة في تنظيف كوكبنا.