Пригодится в космосе: в России создали метод определения пористости волокнистых материалов
Исследователи из Сколтеха разработали метод определения пористости волокнистых материалов. Для этого необходимо всего одно изображение, полученное с помощью обычного оптического микроскопа. Специальный алгоритм анализирует перспективные искажения и рассчитывает пористость со средней ошибкой 3,5%, что значительно превосходит точность традиционных способов. Технология может найти применение в множестве сфер, включая биомедицину и аэрокосмическую отрасль.
Пористость — доля объема, занимаемая пустотами между волокнами, является ключевой характеристикой, определяющей механические свойства, проницаемость и эффективность волокнистых материалов, которые широко используются в аэрокосмической отрасли, биомедицине, энергетике, акустической изоляции и композитных материалах. Однако точное измерение этого параметра традиционно требует сложного оборудования или трудоемких физических измерений.
Существующие методы анализа 2D-изображений, вычисляющие так называемую «цифровую пористость» (процент открытой площади на снимке), часто дают ошибки до 50% и более, поскольку не учитывают трехмерную структуру материала и распределение волокон по глубине.
Новый подход ученых из Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра системного проектирования Сколтеха основан на анализе перспективных искажений на одном изображении. Волокна, расположенные в нижних слоях материала, при съемке с помощью оптического микроскопа кажутся тоньше из-за эффекта перспективы и имеют меньшую яркость. Алгоритм статистически анализирует изменение видимой толщины волокон в зависимости от их яркости. На основе этих данных он вычисляет глубину материала и истинную объемную пористость. Результаты работы опубликованы в журнале Measurement.
Разработанная методика включает три этапа: предварительную цифровую обработку изображения, определение волокон и их характеристик с помощью алгоритма Ridge Detection в программе Fiji, и последующий расчет пористости на основе статистики распределения волокон по слоям.
Такой способ позволяет быстро и точно оценивать пористость различных материалов — от электропряденных нановолокон (для фильтрации и медицины) до композитных материалов (для аэрокосмической и других отраслей). Низкие требования к оборудованию (достаточно обычного оптического микроскопа), простота в реализации и возможность автоматизации делают метод перспективным для широкого применения в научных исследованиях и промышленности.
«Наш метод решает фундаментальную проблему перехода от двумерного изображения к определению трёхмерной структуры материала. Мы не просто считаем пиксели на поверхности – мы «заглядываем» вглубь материала, анализируя, как меняется видимая толщина волокон. Это позволяет с высокой точностью определять истинную пористость без дорогостоящего оборудования для 3D-реконструкции», — пояснил автор исследования, аспирант программы «Инженерные системы» Сколтеха Антон Бирюков.
Руководитель исследования Александр Корсунский отметил, что ключевым для проверки надежности технологии стало использование 3D-печатных физических моделей волокнистого материала с заранее известным и достоверным значением пористости.
Ранее российские ученые представили веб-приложение для автоматической расшифровки состава микровключений в минералах с помощью алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта. Разработку предлагается использовать для исследований Земли и других небесных тел.
Фото Антона Бирюкова
