Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Burada, robotik tabanlı bir Tasarla-Yap-Test Et-Öğren (DBTL) yaklaşımı kullanarak kolorimetrik gaz sensörleri geliştirmek için bir protokol sunuyoruz. Bu protokol, CO2 gibi gazları algılamak için sensör formülasyonlarını verimli bir şekilde keşfetmek ve optimize etmek için yüksek verimli otomasyon, makine öğrenimi ve çok amaçlı optimizasyonu entegre ederek hızlı, uygun maliyetli ve hassas sensör geliştirmeyi mümkün kılar.
Bu makale, verimli ve hızlı bir kolorimetrik gaz sensörü geliştirmeyi amaçlayan robot tabanlı bir deney programı sunmaktadır. Program, gazın farklı konsantrasyon aralıkları için birden fazla reçeteyi optimize ederken arama sürecini yinelemeli olarak optimize eden otomatik bir Tasarla-Yap-Test Et-Öğren (DBTL) yaklaşımı kullanır. Her yinelemede, algoritma çeşitli toplama işlevlerine dayalı olarak bir dizi reçete önerisi oluşturur ve yineleme sayısındaki artışla, her konsantrasyon aralığı için ağırlıklı hedef işlevinin değerleri önemli ölçüde iyileşir.
DBTL yöntemi, donanım ve yazılım ortamının ayarlanması ile parametre başlatma ile başlar. Temel testler performans standartlarını belirler. Daha sonra, DBTL yöntemi, her turdaki tariflerin oranına dayalı olarak bir sonraki optimizasyon turunu tasarlar ve performansı yinelemeli olarak test eder. Performans değerlendirmesi, DBTL yönteminin etkinliğini değerlendirmek için temel verileri karşılaştırır. Performans iyileştirmesi beklentileri karşılamıyorsa, yöntem yinelemeli olarak gerçekleştirilecektir; Hedeflere ulaşılırsa, deney sona erer. Tüm süreç, DBTL yinelemeli optimizasyon süreci aracılığıyla sistem performansını en üst düzeye çıkarır.
Geleneksel manuel geliştirme süreciyle karşılaştırıldığında, bu deneysel süreç tarafından benimsenen DBTL yöntemi, çok amaçlı optimizasyon ve çeşitli makine öğrenimi algoritmaları kullanır. Bileşen hacminin üst ve alt sınırlarını tanımladıktan sonra, DBTL yöntemi, en iyi performansla en uygun oranı elde etmek için yinelemeli deneyleri dinamik olarak optimize eder. Bu yöntem, verimliliği büyük ölçüde artırır, maliyetleri düşürür ve en uygun reçeteyi bulurken çok formülasyonlu değişken alanı içinde daha verimli performans gösterir.
Gaz sensörlerinin pratik uygulamaları çok kapsamlıdır ve çevresel izleme, havacılık ve atık gaz arıtma gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır 1,2,3. Gaz sensörlerinin çalışma prensibi tipik olarak elektrokimya, gaz kromatografisi ve optik gibi çoklu mekanizmalara dayanır. Birçok algılama mekanizması arasında, renk değişimine dayalı olanı, benzersiz bir şekilde öne çıkan bir asit-baz mekanizmasına dönüşmüştür. Düşük maliyeti ve basit uygulaması nedeniyle, CO2 sensörleri 1,4,5 gibi birçok taşınabilir ve tek kullanımlık gaz sensörünün tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tip sensör, gaz konsantrasyonlarını tespit etmek için belirli kimyasalların renk değişimini kullanır. Gaz konsantrasyonu değiştiğinde, sensör malzemesinin iyonik kompleksleşme veya indikatör renk değişiklikleri gibi kimyasal reaksiyonlar yaşamasına neden olarak gaza duyarlı boyanın6 renginde değişikliğe yol açar. Renkteki değişiklikleri tespit edip analiz ederek, gaz konsantrasyonu dolaylı olarak ölçülebilir. Bu arada, düşük maliyet ve taşınabilirlik avantajlarına rağmen, bu tür bir sensörün uzun bir geliştirme döngüsü ve düşük verimlilik 7,8,9 gibi bazı eksiklikleri vardır. Aynı zamanda, geleneksel sensör tasarımı yöntemleri, gerekli tepki süresi, tersine çevrilebilirlik ve algılama sınırına ulaşmak gibi birden fazla algılama özelliğini aynı anda karşılamakta zorlanır. Geleneksel araştırma ve geliştirme paradigması altında, bu zorluklar kolorimetrik gaz sensörlerinin üretimini ve yaygın olarak uygulanmasını ciddi şekilde engellemektedir.
Talep üzerine araştırma ve geliştirmede yukarıda belirtilen zorluklara yanıt olarak, bu deneysel süreçle geliştirilen kolorimetrik sensör teknolojisi, geleneksel gaz algılamanın bazı eksikliklerini giderebilir. Yinelemeli bir Tasarla-Yap-Test Et-Öğren (DBTL) yaklaşımı10,11 kullanılarak, sensör geliştirmenin verimliliği önemli ölçüde iyileştirilebilir, böylece araştırma ve geliştirme süresi azaltılabilir ve araştırma ve geliştirme ihtiyaçları etkin bir şekilde karşılanabilir 1,12. Tipik bir DBTL geliştirme kurulumunda, yeni malzemelerin geliştirilmesi yinelemeli bir geri bildirim döngüsü olarak alınır. Döngü dört temel adım içerir: 1. Optimizasyon parametrelerinin tasarımı, hedefler ve bir deneme deneyi için parametre alanını örnekleme; 2. Seçilen parametrelerin örneklerini oluşturun; 3. Yerleşik numuneler için hedef değeri test edin; 4. Sonraki parti parametrelerinin seçimine rehberlik etmek için hedef geri bildirimin Makine Öğrenimi analizi. Bu yinelemeli süreçte, örneklerin hızlı bir şekilde oluşturulmasına ve test edilmesine olanak tanıyan yüksek verimli deney platformu ve makine öğrenimi algoritmaları temel bileşenlerdir. Otomatik yüksek verimli test platformu, aynı anda 384 adede kadar algılama ünitesini test edebilir ve büyük miktarda yüksek kaliteli yanıt verisi toplayabilir. Çok amaçlı Bayes optimizasyonu gibi makine öğrenimi algoritmaları 13,14,15,16,17 kullanılarak, algılama birimlerinin çoklu algılama metrikleri (örneğin, hassasiyet, tepki süresi ve tersine çevrilebilirlik) aynı anda ve otomatik olarak optimize edilebilir, böylece çeşitli algılama özelliklerinin genel performansı iyileştirilir. Optimizasyon algoritması tarafından oluşturulan algılama birimi tarifleri, bireysel kalibrasyon olmadan kantitatif CO2 konsantrasyonu algılaması sağlayabilir ve ortalama karekök hatası (RMSE) metriği de gerekli göstergeleri karşılayabilir.
Programımız, kolorimetrik gaz algılamaya dayalı olarak geliştirilmiş deneysel bir prosedürdür (akış şeması için Şekil 1'e bakınız). Kendi kendine çalışan laboratuvarların geliştirilmesiyle birlikte, otomatik DBTL yaklaşımı, yüksek verimliliği, hızı ve tekrarlanabilirliği nedeniyle mükemmel beklentiler göstermiştir 5,12. Geleneksel manuel geliştirme süreci, her seferinde bir değişkenin ayarlanmasını içerirGeleneksel manuel geliştirme süreci, her seferinde bir değişkenin ayarlanmasını ve ardından hedef parametreyi optimize etmek ve istenen sonucu elde etmek için başka bir değişkenin değiştirilmesini içerir. Bu sürecin başlıca dezavantajları arasında manuel deneylerde düşük verimlilik, insan hatasına yatkınlık, karmaşık yüksek boyutlu senaryolarda çok boyutlu değişkenlerin yönetilmesinde zorluk ve yerel optimumda takılıp kalma eğilimi sayılabilir. Manuel geliştirme süreciyle karşılaştırıldığında, bu deneysel programda benimsenen DBTL yöntemi, çok amaçlı Bayes optimizasyonu gibi gelişmiş aktif öğrenme algoritmaları ile birleştirilmiş robotik kullanır. Bayes optimizasyonu, değerlendirilmesi pahalı olan objektif fonksiyonları optimize etmek için olasılıksal bir yaklaşımdır15,18. Amaç fonksiyonunu yaklaşık olarak tahmin etmek için genellikle bir Gauss süreci olan bir vekil model oluşturur ve örneklenecek bir sonraki noktaya karar vermek için bir edinim fonksiyonu kullanır. Alım işlevi, genel maksimum veya minimumu verimli bir şekilde bulmak için keşfi (daha az örneklenmiş bölgeleri arama) ve yararlanmayı (bilinen yüksek performanslı bölgeleri iyileştirme) dengeler. Bu yöntem, geleneksel optimizasyon tekniklerinin mücadele ettiği yüksek boyutlu, dışbükey olmayan arama alanlarında özellikle kullanışlıdır. Bileşen içeriğinin üst ve alt sınırlarını kabaca tanımladıktan sonra, yinelemeli olarak en iyi performansla en uygun oranı elde etmek için deneyleri dinamik olarak optimize eder. Bu yöntem, verimliliği büyük ölçüde artırır ve maliyetleri düşürür ve en uygun tarifi geliştirmek için çok değişkenli alanda daha verimli performans gösterir 5,12.
Bu makalenin genel amacı, makine öğrenimi, çok nesneli Bayes optimizasyonu ve otomatik sıvı işleme platformu ve yüksek verimli gaz test platformu dahil olmak üzere deneysel test platformları gibi çeşitli bilgisayar teknolojileri aracılığıyla otomatik DBTL yöntemine dayalı deneysel bir prosedür oluşturmaktır. Bu, kolorimetrik gaz sensörlerinin tasarımını ve araştırılmasını sağlayacaktır. Özelleştirilmiş "Opentrons OT-2" sıvı işleme robotu platformu, program ayarlarına göre deneyleri tamamlamak, reçete sentezi, karıştırma ve daldırma gibi adımları otomatik olarak gerçekleştirmek için kullanılır. Ev yapımı yüksek verimli gaz test platformu, hedef gazların konsantrasyonlarını hassas bir şekilde kontrol ederek ve algılama birimlerinin renk değişikliklerini gerçek zamanlı olarak kaydederek gaz testi ve kolorimetrik sensör okuması için kullanılır. DBTL'ye dayalı olarak tasarlanan diğer deneysel sistemlerle karşılaştırıldığında, bu sistem nispeten düşük bir donanım maliyetine sahiptir. Aynı zamanda, yarı otomatik bir yaklaşımla görevin insan hatasını içeren yönlerini kısmen ele aldık. DBTL tasarımının avantajlarını korurken maksimum marjinal fayda sağlar.
1. Ön deney (fizibilite testi)
NOT: Zhang'ın8. makalesine dayanarak, karbondioksit gibi hedef gaz için kimyasal kolorimetrik sensörlerin ilgili değişkenleri seçilebilir. Kolorimetrik sensör formülasyonlarının talep üzerine optimizasyonunu gerçekleştirmeden önce, değişken uzayı oluşturmak için aşağıdaki prosedürleri kullanan bir ön deney yapılabilir.
2. Tasarla-Yap-Test Et-Öğren (DBTL) yinelemeli optimizasyon sürecini yürütmek için robotik bir deneysel platform kullanın
3. Optimum kolorimetrik sensör dizisinin oluşturulması ve karakterizasyonu
4. Kolorimetrik sensör dizisinin kalibrasyonu
Bu deney düzeneğinin tipik bir örneği "Geniş Aralıklı Yüksek Hassasiyetli Kolorimetrik CO2 Sensör Dizisi"dir12. İlk olarak, deney, Bayes çok amaçlı optimizasyonundan sonra sabit bir CO2 konsantrasyonunda zaman içinde ΔE'deki değişime dayalı bir grafik oluşturur (Şekil 7A). Zayıf tepki süresi, ΔE ve tersine çevrilebilirliğine bağlı olarak, gereksiz 1 (yavaş tepki süresi), gereksiz 2 (y...
Bu makale, kolorimetrik gaz sensörlerini daha hızlı ve doğru bir şekilde geliştirebilecek deneysel bir tasarım önermektedir. Bu deneysel süreç, nem, CO2 ve amonyak 1,4,5 gibi çeşitli gazlar için kolorimetrik sensörler geliştirmek için kullanılabilir. Bu platformun yöntemi sayesinde, enterferans yapan gazların varlığı, nem ve diğer farklı deneysel senaryolar gö...
Yazarların beyan edebilecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.
Bu çalışma, Zhejiang Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı (LQ24F040006) ve Shenzhen İleri Teknoloji Üniversitesi'nin başlangıç fonu tarafından desteklenmektedir.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
96-Well Deep Well Plate | NEST | NEST 2 mL 96-Well Deep Well Plate, V Bottom | |
96-Well PCR Plate | NEST | NEST 0.1 mL 96-Well PCR Plate | |
cresol red | sigma aldrich | 1.05225 | Dyes for colorimetric reagents |
Ethyl cellulose | sigma aldrich | 200689 | Dyes for colorimetric reagents |
Ethyl cellulose | Aladdin | E110670-100g | Additive |
Industrial Camera | HKVision | MV-CS060-10UM/C-PRO | used for recording color changes |
Liquid handler | Opentrons | OT2 | liquid handler |
Mass Flow Controller | ASERT | AST10-DLCMX-500C-042-A2B2-48VY | used in controlling analytes gas mixtures |
m-cresol purple | sigma aldrich | 1.05228 | Dyes for colorimetric reagents |
Opentrons OT-2 Tips | Opentrons | OT-2 Tips, 300µL | |
Opentrons OT-2 Tips | Opentrons | OT-2 Tips, 20µL | |
phenol red | sigma aldrich | 1.07241 | Dyes for colorimetric reagents |
polyethylene glycol | sigma aldrich | P1458 | Dyes for colorimetric reagents |
PTFE film | Interstate Specialty Products | PM15M | PTFE mambrane |
Tetrabutylammonium hydroxide | sigma aldrich | 86854 | Base for colorimetric reagents |
thymol blue | sigma aldrich | 1.08176 | Dyes for colorimetric reagents |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır