Gerðu endurvinnslu hagkvæmari með gervigreind: Innsýn frá NIST Research

Endurvinnsla getur verið veruleg kostnaður fyrir sveitarfélög, en gervigreind gæti hjálpað til við að draga úr þeim kostnaði og hugsanlega auka endurvinnsluhlutfall. Vísindamenn hjá NIST vinna að því að gera endurvinnslu skilvirkari og ódýrari.

Hefurðu einhvern tíma velt því fyrir þér hvað verður um plastið þitt eftir að þú hefur hent því í „úrvinnslutunnuna“?

Þessi spurning hefur verið mikið í fréttum undanfarið.

Svarið er frekar flókið. Það fer eftir því hvar þú býrð og hvers konar plasti þú hefur hent.

Söfnun endurvinnsluefnis er gríðarlegur kostnaður fyrir sveitarfélög. Þeir þurfa að halda úti aðstöðu til að vinna úr plasti, auk flutningabíla og bakka til að safna því. Þeir þurfa líka að ráða fólk til að vinna verkið. Það væri miklu ódýrara að henda bara öllu á urðunarstaði.

Hins vegar, þegar sveitarfélög endurvinna, geta þau breytt rusli í reiðufé ef þau hafa rétta innviði. Þeir geta vegið upp á móti einhverjum kostnaði með því að selja plast sem safnað er aftur til framleiðenda. Flestir framleiðendur vilja að endurunnið plast sé næstum eins gott og nýtt, sem krefst vandlegrar flokkunar til að veita samræmdar vörur.

Fyrir flest fólk lítur allt plast eins út. En glögg augu vita að það eru sjö algengar tegundir af plasti. Þú getur auðkennt þau með litlu endurvinnslutáknunum á botni næstum allra plastíláta. Þessar tölur hjálpa til við að bera kennsl á efnasamsetningu þessara plastefna. Þú gætir hafa tekið eftir þeim þegar þú flokkar þína eigin endurvinnslu.

Hér er sundurliðun á sumum þessara efna:

Efni	Algeng notkun	Endurvinnslukóði
Pólýetýlen tereftalat	Gosflöskur, vatnsflöskur	1 - PETE
Háþéttni pólýetýlen	Mjólkurbrúsa, þvottaefnisflöskur	2 - HDPE
Pólývínýlklóríð	Lagnir, sturtugardínur	3 - PVC
Lágþéttni pólýetýlen	Matvörupokar, samlokupokar	4 - LDPE
Pólýprópýlen	Afhendingarílát, jógúrtbollar	5 - PP
Pólýstýren	Einnota kaffibollar	6 - PS
Annað	Öryggisgleraugu, DVD diskar, margar margnota vatnsflöskur	7 – Annað

Það skiptir sköpum að flokka þetta plast. Mismunandi gerðir af plasti með svipaða eiginleika er oft ekki hægt að blanda saman vegna þess að þeir þurfa mismunandi bræðsluferli.

Tökum sem dæmi PVC. Það er notað í allt frá rörum til sturtugardínur. Bráðið PVC framleiðir sterka sýru sem er gagnleg í mörgum iðnaði. En eins og margar aðrar sýrur er þetta ekki eitthvað sem þú vilt búa til óvænt.

Pólýólefín, flokkur plasts, þar á meðal HDPE (notað í mjólkurkönnur), LDPE (notað í plastpokum) og PP (notað í afhendingarílát), gefa mildara dæmi. Þessi plastefni gera upp um 40% af plastframleiðslu heimsins. Þeir eru líka sumir þeir erfiðustu að flokka.

Sú gerð plasts sem notuð er í mjólkurkönnum krefst mikils hitastigs til að bráðna og endurvinna vegna kristallaðrar uppbyggingar. Hins vegar, ef plastpokamengun blandast inn, brotna þessir pokar niður við þetta háa hitastig. Þannig að ef plastpoki blandast saman við mjólkurkönnur gæti það leitt til þess að mjólkurkönnur séu ónothæfar í litum. Þessi vinnsluáhætta er ein af ástæðunum fyrir því að þú sérð ekki margar mjólkurkönnur úr endurunnu plasti.

Að auki, ef sum háhita-stöðug efni úr afhendingarílátum lenda á plastpokavinnslulínu, gætirðu séð stíflur í vélinni.

Starfsmenn við endurvinnslustöð Montgomery County flokka efni til endurvinnslu.

Fræðilega séð geturðu auðveldlega flokkað plastúrgang með því að nota litlu endurvinnslutáknin. Síðan geturðu selt þetta flokkaða plast til aukaendurvinnsluaðila, sem breyta því í vörur.

Verðið fer eftir áætluðum hreinleika plastsins. Stór búnt af appelsínugulum þvottaefnisflöskum gæti selst fyrir hátt verð vegna þess að auðvelt er að velja þær. Hins vegar gæti haugur af ílátum til að taka með sér auðveldlega blandast ýmsum litum eða aukefnum.

Á endurvinnslustöðinni í Montgomery County, Maryland, flokkar fólk handvirkt þvottaefnisflöskur, matarílát og fleira. Hins vegar geta hendur og augu aðeins hreyfst svo hratt og það er auðvelt að gera mistök á þeim hraða. Þannig að endurvinnslustöðvar einbeita sér að því að flokka verðmætt eða auðvelt að bera kennsl á plast til að viðhalda samræmi við sölu til annarra endurvinnsluaðila. Þetta þýðir að þvottaefnisflöskur og drykkjarílát eru endurunnin á háum hraða. Plast „hnífapör“ þín og gömul barnaleikföng gætu ekki.

Til að auðvelda flokkun hefur starf okkar hjá NIST einbeitt sér að því að nota nálægt innrautt ljós (NIR), tækni sem getur fljótt greint mismunandi plastefni. Sumar helstu endurvinnslustöðvar nota nú þegar ljós eða myndavélar til að „sjá“ og flokka gosflöskur úr PVC rörum.

En þessi kerfi geta ekki flokkað allt. Rannsóknir mínar beinast að því að búa til aðferð til að hjálpa til við að flokka mest krefjandi plastið svo endurvinnsluaðilar geti skilað hagnaði.

Hvernig við gerum endurvinnslu skilvirkari

Með þetta í huga skoðaði teymið okkar þessa NIR aðferð og ákvað að bæta hana með vélrænum reikniritum og öðrum vísindalegum aðferðum.

Í innrauðri litrófsgreiningu skín þú mismunandi bylgjulengdir ljóss á sumar sameindir. Þessar sameindir gleypa hluta af orku ljóssins á ákveðnum bylgjulengdum og endurkasta eða senda restina.

Ein leið til að hugsa um þetta er með blómum og litum. Til dæmis, þegar margar bylgjulengdir ljóss frá sólinni skína á rauða rós er rósin mjög góð í að gleypa allar bylgjulengdir/litir nema rauða. Rauða ljósið endurkastast af krónublöðunum og þess vegna virðist rósin okkur rauð.

Ef við þekkjum lit og styrk ljóssins sem við skínum á blóm eða plastflösku og litinn/styrkinn sem við fáum til baka, getum við notað mismuninn til að bera kennsl á fleiri af þessum blómum eða flöskum, eins og fingrafar.

Með því að nota vélanám getum við fundið NIR fingraför margra plastefna. Við „þjálfum“ síðan tölvur til að bera kennsl á plast byggt á nýjum NIR-merkjum samanborið við NIR-merki annars plasts. Þessi þjálfun hjálpar tækninni að bera kennsl á efni í gosflöskum, skilja hvernig þau eru frábrugðin afhendingarílátum og aðskilja þau í samræmi við það.

Í fyrstu grein okkar notuðum við vélanám til að tengja plastmerki okkar við ákveðna eiginleika (eins og hversu þétt og kristallað pólýetýlen er). Venjulega mælir þú þéttleika með því að vigta plast í mismunandi vökva og bera saman mismun. Það er mjög hægt og leiðinlegt ferli.

Hins vegar sýndum við að þú getur fundið næstum sömu upplýsingar með því að nota endurkast ljós — miklu hraðar. Á endurvinnslulínu skiptir tími sköpum.

Þú getur beitt þessari aðferð á stór og lítil sýni. Þetta er flott vegna þess að það sýnir að ef við stillum hlutina vandlega upp getum við fengið meiri upplýsingar úr þessum ljósmælingum.

Þetta er enn mjög frumvinna og á ekki við um allar tegundir plasts ennþá. Þannig að við getum ekki bara látið lýsa hvaða plasti sem er og vita nákvæmlega eiginleika þess, en það er spennandi byrjun. Ef við getum stækkað það gæti það sparað endurvinnsluaðilum og framleiðendum mikinn tíma og fyrirhöfn í gæðaeftirlitsskrefum.

Síðan ég birti þetta verk hef ég verið að pæla í því hvernig eigi að meðhöndla öll gögn úr þessum mælingum. Þú endar með mjög mismunandi gögn sem byggjast á lögun plastsins og hvort sýnishornið er köggla, duft eða flaska.

Þetta er vegna þess að ljós endurkastast enn, en það endurkastast í mismunandi áttir eftir lögun plastsins. Ímyndaðu þér speglana á tærri tjörn á móti tjörn með mörgum gárum. Síðan geturðu bætt við litarefnum og rotvarnarefnum sem gætu raunverulega breytt merkinu. Þetta gerir gögnin ekki röng, en það getur haft áhrif á flokkun. Þú getur hugsað um það sem að flokka myndir af fólki í svarthvítu á móti sama fólkinu í svarthvítu, lit, myndasögum og málverkum.

Til að takast á við þetta hefur liðið verið að stækka gagnasafnið okkar og ég er að skoða stærðfræðilegar lagfæringar til að setja duft, köggla og litað plast á sama leikvöll. Ef við getum gert þetta verður auðveldara að bera kennsl á hvaða plast er með því að nota vélanám.

Til að gera þessar rannsóknir meira gagnlegar, er ég að vinna að því að sýna að við getum flokkað þessi erfiðu pólýólefín. Með því að nota núverandi aðferð mína höfum við náð 95% til 98% nákvæmni við flokkun á þessu plasti. Við erum að gera þetta með ferlum sem nánast hvaða endurvinnslustöð sem er búin NIR getur fljótt byrjað að nota.

Margar endurvinnslustöðvar gætu nú þegar notað svipaðar reiknirit, en þessi vinna veitir aukna fágun, með áherslu sérstaklega á pólýólefín sem erfitt er að flokka.

Ef við getum flokkað þetta á áhrifaríkan hátt getum við endurnýtt það með færri vinnsluvandamálum, sem gerir endurvinnslu arðbærari. Þá getur hagnaður vonandi knúið áfram betri endurvinnsluvenjur og við getum farið að breyta línulegu hagkerfi okkar í hringlaga hagkerfi.

Endurvinnsla sem þraut sem þarf að leysa

Ég er vandamálalaus, hoppa úr einni þraut til annarrar.

Auk fjölliðarannsókna hef ég unnið að lyfjagjafakerfum fyrir krabbamein í eggjastokkum og nú er ég að nota gervigreind (AI) og vélanám.

Ég elska að gera gott á meðan ég leysi flókin vandamál. Sjálfbærni og lífvæn efni hafa verið fallegt þema allan rannsóknarferil minn.

Þú gætir í upphafi ekki séð tengslin á milli líflæknisfræðilegra rannsókna og plasts. En lyfjaafhendingarkerfi geta hjálpað til við að búa til virkilega flott efni með forritum umfram læknisfræði. Plastvinna getur einnig aukið skilning okkar á DNA, próteinum og kollageni í líkama okkar.

Nú, með sprengingu gervigreindar, höfum við ný verkfæri til að gera efnisrannsóknir hraðar og skilvirkari. Það er spennandi tími á sviði sjálfbærra efna!

Framtíð Flokkun Rannsóknir

Ég er núna að klára tveggja ára samning hjá NIST og er að leita að næstu þraut til að leysa.

Hins vegar ætla ég að vera tengdur við NIST sem samstarfsaðila til að hjálpa öðrum vísindamönnum að nota tækni mína.

Ég vonast til að hjálpa hinu breiðari endurvinnslusamfélagi að nota gagnagreiningar til að bæta endurvinnslu okkar og hjálpa til við að hreinsa plánetuna okkar.