هوش مصنوعی می تواند «بشنود» زمانی که یک باتری لیتیومی در شرف آتش گرفتن است

محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) راهی برای استفاده از صدا برای تشخیص زمان آتش گرفتن باتری‌های لیتیوم یون ابداع کرده‌اند. تیم NIST شامل وای چئونگ “اندی” تام و آنتونی پوتورتی بود.

باتری‌های لیتیوم یونی در اطراف ما هستند: آنها می‌توانند در تلفن، لپ‌تاپ، دوچرخه برقی یا ماشین الکتریکی باشند. ممکن است چندین مورد در دسترس بازو و صدها مورد در ساختمان شما وجود داشته باشد.

این باتری ها محبوب هستند زیرا می توانند انرژی زیادی را در یک فضای کوچک ذخیره کنند. این کیفیت آنها را مفید می کند، اما خطر را نیز به همراه دارد. اگر باتری لیتیوم یونی خیلی داغ شود یا آسیب ببیند، ممکن است آتش بگیرد یا حتی منفجر شود. و خطر آتش سوزی باتری در حال افزایش است. در سال 2023، آتش نشانی شهر نیویورک به این موضوع واکنش نشان داد 268 آتش سوزی مسکونی توسط باتری های دوچرخه های الکترونیکی آغاز شدکه باعث 150 مجروح و 18 کشته شد.

این آتش‌سوزی‌ها بسیار خطرناک هستند زیرا تقریباً فوراً به شدت داغ می‌شوند. یک باتری می تواند یک جت شعله تا دمای 1100 درجه سانتیگراد (2012 فارنهایت)، تقریباً به اندازه یک مشعل دمنده، ساطع کند و در حدود یک ثانیه به آن دما می رسد. این به‌طور چشمگیری با انواع دیگر آتش‌سوزی‌های مسکونی، که معمولاً به‌عنوان شعله‌های دود یا کوچک‌تر شروع می‌شوند، متفاوت است. با آن آتش سوزی ها، زمان بیشتری برای رسیدن دود به زنگ هشدار دود و هشدار به مردم از خطر وجود دارد.

علاوه بر گرم شدن سریعتر، باتری لیتیوم یونی دود زیادی برای تشخیص در مراحل اولیه خرابی تولید نمی کند. زمانی که دود محدود زنگ هشدار دود سنتی را فعال می کند، ممکن است برای جلوگیری از گسترش آتش خیلی دیر شده باشد. بنابراین وجود راهی برای تشخیص زودهنگام این آتش سوزی ها مفید خواهد بود.

تام گفت: «هنگام تماشای ویدیوهای انفجار باتری ها، متوجه چیز جالبی شدم. درست قبل از شروع آتش سوزی، دریچه ایمنی باتری شکست و این صدای کمی ایجاد کرد. فکر می‌کردم شاید بتوانیم از آن استفاده کنیم.» او اولین کسی نبود که این مشاهدات را انجام داد، اما می خواست ببیند آیا می تواند این ایده را برای خودش آزمایش کند یا خیر.

شکستگی سوپاپ ایمنی در باتری لیتیومی

قبل از آتش گرفتن باتری لیتیوم یونی، یک واکنش شیمیایی باعث ایجاد فشار در داخل می شود. باتری شروع به متورم شدن می کند. بسیاری از سلول‌های باتری لیتیوم یونی نمی‌توانند منبسط شوند زیرا بدنه‌های سختی دارند. بسیاری از این محفظه های سخت حاوی یک شیر اطمینان هستند که برای شکستن و آزاد کردن این فشار طراحی شده است. این سوپاپ اطمینان شکستن صدایی است که در فیلم ها شنیده می شود. این یک متمایز است کلیک – هیس، کمی شبیه صدای ترک خوردن یک بطری نوشابه است.

مطالعات قبلی مشاهده کرده اند که صدا را می توان در یک سیستم هشدار اولیه استفاده کرد. اما صداهای زیادی در دنیا وجود دارد که شبیه به شکستن سوپاپ اطمینان است، مانند استفاده از منگنه یا انداختن گیره کاغذ. اگر هر صدای تصادفی در اتاق باعث ایجاد آن شود، آشکارساز چندان مفید نخواهد بود. بنابراین محققان به نرم افزاری نیاز داشتند که بتواند صدای شکستن سوپاپ اطمینان را به طور قابل اعتماد تشخیص دهد و صداهای دیگر را تشخیص ندهد. آنها تصمیم گرفتند از هوش مصنوعی استفاده کنند. تام و پوتورتی الگوریتم یادگیری ماشینی را برای تشخیص این نویز متمایز آموزش دادند.

برای اینکه الگوریتم کار کند، ابتدا به نمونه های زیادی از صدا نیاز داشتند. آنها از طریق همکاری با آزمایشگاهی در دانشگاه علم و صنعت شیان، صدا را از 38 باتری در حال انفجار ضبط کردند. سپس سرعت و زیر و بم آن ضبط‌ها را تغییر دادند تا آنها را به بیش از 1000 نمونه صوتی منحصربفرد بسط دهند تا بتوانند به نرم‌افزار آموزش دهند که صدای شکستن سوپاپ ایمنی چگونه است.

الگوریتم فوق العاده خوب کار می کند. محققان با استفاده از میکروفون نصب شده بر روی دوربین، صدای گرم شدن بیش از حد باتری را در 94 درصد مواقع تشخیص دادند.

تام توضیح داد: «من سعی کردم با استفاده از انواع صداهای مختلف، از ضبط افراد در حال راه رفتن، بسته شدن درها و باز کردن قوطی های کوکاکولا، الگوریتم را اشتباه بگیرم. فقط تعداد کمی از آنها آشکارساز را گیج کردند.

تام ارائه کرد نتایج مطالعه آنها در سیزدهمین سمپوزیوم آسیا و اقیانوسیه در علم و فناوری آتش نشانی. او و پوتورتی درخواست ثبت اختراع کرده‌اند و قصد دارند این خط تحقیقاتی را با انواع باتری‌ها و میکروفون‌های بیشتری ادامه دهند. آنها در آزمایشات خود مشاهده کردند که سوپاپ اطمینان حدود دو دقیقه قبل از اینکه باتری به طور فاجعه بار از کار بیفتد شکست. آنها همچنین قصد دارند با آزمایش‌های بیشتر روی طیف وسیع‌تری از باتری‌ها، زمان هشدار را تأیید کنند.

هنگامی که این فناوری به طور کامل توسعه یافت، می توان از این فناوری برای ساخت نوع جدیدی از اعلام حریق استفاده کرد. این آلارم‌ها را می‌توان در خانه‌ها و ساختمان‌های اداری یا مکان‌هایی با باتری‌های زیاد مانند انبارها و پارکینگ خودروهای برقی نصب کرد. هشدار پیشرفته ای که آنها ارائه می دهند می تواند به مردم فرصت تخلیه بدهد. کلید رابطه سالم با باتری های لیتیوم یونی ممکن است فقط گوش دادن دقیق باشد.