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Les applications pratiques des capteurs de gaz sont très étendues et ont été utilisées dans divers domaines tels que la surveillance de l’environnement, l’aérospatiale et le traitement des gaz résiduaires 1,2,3. Le principe de fonctionnement des capteurs de gaz repose généralement sur plusieurs mécanismes, tels que l’électrochimie, la chromatographie en phase gazeuse et l’optique. Parmi les nombreux mécanismes de détection, celui basé sur le changement de couleur a évolué pour devenir un mécanisme acide-base qui se démarque de manière unique. En raison de son faible coût et de sa simplicité d’application, il est largement utilisé dans la conception de nombreux capteurs de gaz portables et jetables, tels que les capteurs de CO2 1,4,5. Ce type de capteur utilise le changement de couleur de certains produits chimiques pour détecter les concentrations de gaz. Lorsque la concentration de gaz change, le matériau du capteur subit des réactions chimiques telles que la complexation ionique ou les changements de couleur des indicateurs, ce qui entraîne le changement de couleur du colorant sensible aux gaz6. En détectant et en analysant les changements de couleur, la concentration de gaz peut être mesurée indirectement. Pendant ce temps, malgré les avantages du faible coût et de la portabilité, ce type de capteur présente encore quelques lacunes, telles qu’un long cycle de développement et une faible efficacité 7,8,9. Dans le même temps, les méthodes traditionnelles de conception de capteurs ont du mal à répondre simultanément à plusieurs caractéristiques de détection, telles que le temps de réponse, la réversibilité et la limite de détection requis. Dans le cadre du paradigme traditionnel de la recherche et du développement, ces difficultés entravent gravement la production et l’application généralisée des capteurs de gaz colorimétriques.
En réponse aux défis mentionnés ci-dessus en matière de recherche et de développement à la demande, la technologie de capteur colorimétrique développée dans le cadre de ce processus expérimental peut remédier à certaines des lacunes de la détection de gaz traditionnelle. En employant une approche itérative de conception-construction-test-apprentissage (DBTL) 10,11, l’efficacité du développement des capteurs peut être considérablement améliorée, réduisant ainsi le temps de recherche et de développement et répondant efficacement aux besoins de la recherche et du développement 1,12. Dans une configuration de développement DBTL typique, le développement de nouveaux matériaux est considéré comme une boucle de rétroaction itérative. La boucle contient quatre étapes clés : 1. Conception des paramètres d’optimisation, des cibles et de l’échantillonnage de l’espace des paramètres pour une expérience d’essai ; 2. Construisez les échantillons des paramètres sélectionnés ; 3. Testez la valeur cible pour les échantillons construits ; 4. Analyse par apprentissage automatique du retour d’information cible pour guider la sélection des paramètres du prochain lot. Dans ce processus itératif, la plateforme d’expérimentation à haut débit qui permet de construire et de tester rapidement des échantillons, et les algorithmes d’apprentissage automatique sont les composants clés. La plate-forme de test automatisée à haut débit peut tester simultanément jusqu’à 384 unités de détection, collectant ainsi une grande quantité de données de réponse de haute qualité. En utilisant des algorithmes d’apprentissage automatique 13,14,15,16,17, tels que l’optimisation bayésienne multi-objectifs, plusieurs mesures de détection des unités de détection (par exemple, la sensibilité, le temps de réponse et la réversibilité) peuvent être optimisées simultanément et automatiquement, améliorant ainsi les performances globales de diverses caractéristiques de détection. Les recettes d’unités de détection générées par l’algorithme d’optimisation peuvent réaliser une détection quantitative de la concentration de CO2 sans étalonnage individuel, et la métrique de l’erreur quadratique moyenne (RMSE) peut également répondre aux indicateurs requis.
Notre programme est une procédure expérimentale développée sur la base de la détection colorimétrique des gaz (voir la figure 1 pour l’organigramme). Avec le développement des laboratoires autonomes, l’approche DBTL automatisée a montré d’excellentes perspectives en raison de son efficacité, de sa vitesse et de sa répétabilité élevées 5,12. Le processus de développement manuel traditionnel implique l’ajustement d’une variable à la fois, suivi de la modification d’une autre variable pour optimiser le paramètre cible et obtenir le résultat souhaité. Les principaux inconvénients de ce processus comprennent une faible efficacité dans les expériences manuelles, une sensibilité à l’erreur humaine, une difficulté à gérer des variables multidimensionnelles dans des scénarios complexes de grande dimension et une tendance à rester coincé dans des optima locaux. Par rapport au processus de développement manuel, la méthode DBTL adoptée dans ce programme expérimental utilise la robotique combinée à des algorithmes d’apprentissage actif avancés tels que l’optimisation bayésienne multi-objectifs. L’optimisation bayésienne est une approche probabiliste pour optimiser des fonctions objectifs coûteuses à évaluer15,18. Il construit un modèle de substitution, souvent un processus gaussien, pour approximer la fonction objectif et utilise une fonction d’acquisition pour décider du prochain point à échantillonner. La fonction d’acquisition équilibre l’exploration (recherche de régions moins échantillonnées) et l’exploitation (affinement des régions connues et performantes) pour trouver efficacement le maximum ou le minimum global. Cette méthode est particulièrement utile dans les espaces de recherche non convexes de grande dimension où les techniques d’optimisation traditionnelles ont du mal. Après avoir défini grossièrement les limites supérieure et inférieure du contenu des composants, il optimise dynamiquement les expériences pour obtenir le rapport optimal avec les meilleures performances de manière itérative. Cette méthode améliore considérablement l’efficacité et réduit les coûts et fonctionne plus efficacement dans l’espace multivariable pour développer la recette optimale 5,12.
L’objectif général de cet article est d’établir une procédure expérimentale basée sur la méthode DBTL automatisée à travers diverses technologies informatiques telles que l’apprentissage automatique, l’optimisation bayésienne multi-objets et les plates-formes de test expérimentales, y compris la plate-forme de manipulation automatisée des liquides et la plate-forme de test de gaz à haut débit. Cela permettra la conception et la recherche de capteurs de gaz colorimétriques. La plate-forme de robot de manipulation de liquides personnalisée « Opentrons OT-2 » est utilisée pour réaliser des expériences selon les paramètres du programme, en effectuant automatiquement des étapes telles que la synthèse de recettes, le mélange et le trempage. La plate-forme d’essai de gaz à haut débit faite maison est utilisée pour les tests de gaz et la lecture des capteurs colorimétriques à haut débit, en contrôlant avec précision les concentrations de gaz cibles et en enregistrant les changements de couleur des unités de détection en temps réel. Comparé à d’autres systèmes expérimentaux conçus sur la base de DBTL, ce système a un coût matériel relativement faible. Simultanément, nous avons partiellement abordé les aspects de la tâche qui impliquent une erreur humaine par le biais d’une approche semi-automatisée. offrant le maximum d’avantages marginaux tout en conservant les avantages de la conception DBTL.