Представьте: чтобы проверить качество керамической детали, защищающей наши сети от скачков напряжения, её не нужно «вскрывать» или отправлять под дорогой электронный микроскоп. Достаточно пропустить ток и «спросить» у искусственного интеллекта, что внутри. Именно такую технологию предложила команда под руководством заведующего лабораторией Технического зрения ЮУрГУ, кандидата технических наук Владимира Сурина.
Сегодня, чтобы в деталях рассмотреть структуру оксидной керамики, образец обычно разрушают, напыляют на него проводящий слой и помещают в вакуум. Это долго и дорого. Новый метод работает иначе. Он не конкурирует с микроскопом в запредельном нанометровом разрешении, а решает другую, едва ли не более важную задачу — молниеносно восстановить внутреннюю картину, не прикасаясь к объекту скальпелем.
Как поясняет Владимир Сурин, их система – это, по сути, цифровой, виртуальный микроскоп. Вместо оптики и линз она анализирует обычные вольт-амперные характеристики и токи утечки, а затем с помощью нейросетей реконструирует реальную микроструктуру материала: зерна, поры, границы. И все это – без единого разреза.
Сердце разработки – гибрид из трех типов нейросетей, каждая из которых играет свою роль:
· LSTM выступает в роли «чистильщика»: фильтрует шумы и обрабатывает сигналы напряжения и тока во времени.
· PINN (физически-информированная сеть) – «умный физик». В нее зашиты законы Кирхгофа и логика работы электрических схем, поэтому сеть не выдает бессмысленных, нефизичных решений, даже если данных для обучения собрано немного.
· GAN (генеративно-состязательная сеть) – «художник». Получив параметры от коллег, она генерирует синтетическое изображение зернистой структуры и пор, которое статистически практически неотличимо от снимка с дорогостоящего микроскопа.
На выходе метод дает сразу три мощных преимущества. Во-первых, неразрушаемость: образец не нужно резать, шлифовать или запирать в вакуумную камеру. Во-вторых, скорость: если томография или срез на электронном микроскопе отнимают часы, то здесь карта микроструктуры вырисовывается за секунды после стандартного электрического теста. Систему можно встроить прямо в заводской конвейер и проверять сотни деталей за смену. В-третьих, экономия и импортозамещение. «Цифровой микроскоп» — это программный модуль, который можно «надеть» поверх уже стоящих на производстве испытательных стендов. Никакой закупки уникальной импортной оптики и вакуумных систем не требуется, а значит, появляется шанс создавать даже портативные версии для выездной экспертизы.
Фокусируется технология на поиске скрытых «убийц» варисторов* – неоднородностей на границах зерен, скоплений крупных частиц и аномальной пористости. Именно эти дефекты ведут к локальным перегревам и ускоренной деградации устройств.
Сейчас проект находится на стадии прототипирования в стенах ЮУрГУ, но его архитектуру сразу проектируют с прицелом на интеграцию в автоматизированные заводские системы (MES/АСУТП). Пользовательский интерфейс, по словам Владимира Сурина, ученые обещают сделать максимально простым. Для оператора на линии это будет «черный ящик»: на вход подаются измерения, на выходе получается карта микроструктуры и показатели ее однородности. Исследователям же откроют режим с расширенными настройками.
Хотя главная цель – внедрение на реальных производствах варисторов, потенциал метода гораздо шире. Его можно адаптировать для любой функциональной оксидной керамики, сенсоров и композитов — везде, где внутренняя структура напрямую связана с электрическими свойствами.
*Варисторы — полупроводниковые резисторы, которые защищают электронные цепи от скачков напряжения.
Юлия Шерстобитова