تقریباً همه فرآیندهای تولیدی و صنعتی در آینده نزدیک و در دوره اصطلاحاً صنعت 4.0 به نحوی خودکار خواهند شد. قابلیت خودکار شدن بسیاری از فرآیندها، مزایای زیر را ارائه موجب می‌شود:
- صرفه‌جویی در هزینه
- امکان پایش سیستم
- فراهم کردن قابلیت هشدار به اپراتورها
- بهینه‌سازی فرآیندها با حداقل (یا صفر) ورودی انسانی
تلاش شده‌است صنعت ۴.۰ با ترکیب رویکردهای پایش فیزیکی، کلان داده، الگوریتم‌های هوش مصنوعی و همچنین اینترنت اشیاء (IOT) در مقیاس گسترده، پیاده‌سازی شود. در حالی که بسیاری از فرایندهای اتوماسیون صنعتی بر روی نرم‌افزار تمرکز دارند (زیرا این موارد موجب آنالیز و بهینه‌سازی پروتکل‌ها می‌شوند)، اهمیت زیرساخت‌های فیزیکی که از داده‌ها/نرم‌افزارها پشتیبانی می‌کنند را نمی‌توان نادیده گرفت.
از نظر زیرساخت‌های فیزیکی اتوماسیون صنعتی، پتانسیل بسیاری برای استفاده از گرافن وجود دارد. این حوزه‌های امیدبخش در زیر مورد بحث قرار گرفته‌اند.
حسگرها در اتوماسیون صنعتی
حسگرها یکی از مهم‌ترین دستگاه‌ها در هر نوع رویکرد اتوماسیون، پایش و یا IoT هستند. اگرچه اعتبار نرم افزار و الگوریتم‌های داده بسیار زیاد است، اما بدون داده‌ها نمی‌توان فرایندها را پیش‌بینی یا بهینه‌سازی کرد. این داده‌ها از مجموعه‌ای از حسگرهای که به طور استراتژیک در اطراف خط تولید/فرآیند قرار گرفته‌اند بدست می‌آید و برای شناسایی و پایش طیف گسترده‌ای از عوامل مورد استفاده قرار می‌گیرد. این موارد می‌تواند شامل تشخیص گازهای مختلف، دما، رطوبت، کرنش، ویژگی‌های نوری محصول و حضور مواد شیمیایی مضر در فضای کار باشد.
از میان تمام دستگاه‌های الکترونیکی گرافنی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، حسگرهای دارای بیش‌ترین پتانسیل هستند و در حال حاضر طیف وسیعی از حسگرهای مبتنی بر گرافن در بازار وجود دارد که برای تشخیص پارامترهای مختلف طراحی شده‌اند. این زیرساخت هم اکنون با استفاده از گرافن ایجاد شده‌است، فقط لازم است در سیستم‌های اتوماسیون پیاده‌سازی شود.
چرا از گرافن در حسگرها استفاده می‌شود؟
نازکی ذاتی گرافن می‌تواند حسگرهای کوچکی ایجاد کند. حسگرهای گرافن با محیط محلی خود بسیار تعاملی هستند و به لطف رسانایی الکتریکی زیاد گرافن و تحرک حامل بار که باعث واکنش در برابر محرک خارجی می‌شود، تغییرات جزئی می‌تواند منجر به یک پاسخ قابل تشخیص شود.
حسگرهای گرافن به شدت حساس هستند و می‌توانند در مکان‌هایی قرار بگیرند که حسگرهای (حجیم‌تر) دیگر ممکن است در آن ناحیه با مشکل مواجه شوند.
با استفاده از اینترنت اشیاء و الگوریتم‌های هوش مصنوعی، هرچه داده‌های ثبت‌شده دقیق‌تر باشد، پیش‌بینی‌ها و بهینه‌سازی نیز دقیق‌تر خواهند بود. بنابراین، نیاز به دستیابی به دقیق‌ترین داده‌های ممکن برای تکمیل الگوریتم‌های اتوماسیون وجود دارد و این احتمال وجود دارد که در آینده با افزایش کشش به سمت یکپارچه‌سازی تجاری‌سازی و اتوماسیون حسگر گرافنی، شاهد استفاده از حسگرهای گرافنی برای ارائه این داده‌های صحیح باشیم.
دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی
ایجاد دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی مبتنی بر گرافن اخیراً شاهد مشارکت‌های تجاری بسیاری بوده‌است. دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی برای همه فرایندهای اتوماسیون قابل‌اجرا نیستند؛ چرا که بسیاری از حسگرها و اجزا به شبکه برق متصل هستند. با این حال، دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی می‌توانند برای پایش فرایندهای کنترل از راه دور و شرایط فرآوری سخت، راه‌حلی قابل‌اعتماد و پایدار باشند.
بسیاری از اجزا و دستگاه‌ها به باتری یا ابرخازن نیاز دارند و هم اکنون باتری‌ها و ابرخازن‌های گرافنی در حال تبدیل شدن به واقعیت تجاری هستند. رسانایی الکتریکی بالای گرافن، امکان ذخیره و آزادسازی مقدار زیادی بار را فراهم می‌کند و دستگاه‌ها را قادر می‌سازد برای مدت طولانی‌تری برق داشته باشند.
حوزه دیگری که تنها برای پایش کنترل از راه دور و روش‌های جمع آوری داده قابل‌استفاده است، دستگاه‌های برداشت انرژی است. انگیزه‌ای برای ایجاد نانوژنراتورها ایجاد شده‌است که انرژی (چه انرژی مکانیکی، چه گرما/انرژی حرارتی و یا ...) را از محیط اطراف دریافت می‌کند و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در حالی که انرژی تولید شده اندک است، اغلب برای تأمین انرژی حسگری که به آن متصل است، کافی است.
در حالی که دستگاه‌های ذخیره‌سازی و برداشت انرژی برای همه صنایع صنعتی قابل‌اجرا نیستند، مواردی که به برخی سطوح پایش از راه دور یا نظارت محیطی نیاز دارند، می‌توانند از دستگاه‌های تقویت‌شده با گرافن برای تغذیه حسگرهای از راه دور بهره‌مند شوند. فعالیت‌های بسیاری برای ایجاد این دستگاه‌ها، به خصوص دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی لازم است و استفاده از دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی گرافنی احتمالاً در آینده به کاربردهای صنعتی بسیاری (نه فقط از نظر اتوماسیون و پایش) گسترش خواهد یافت.
ارتباطات بی‌سیم
یکی از نکات کلیدی در مورد سیستم‌های اتوماسیون، توانایی آنها در جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها از بسیاری از مکان‌ها، انتخاب روندها و اجرای پاسخ مناسب به داده‌های ارائه‌شده است. گاهی هیچ پاسخی وجود ندارد، با این حال، در برخی دیگر، این می‌تواند هشداری برای یک اپراتور انسانی باشد. بهینه‌سازی داخلی توسط خود نرم‌افزار نیز ممکن است مورد نیاز باشد. برای همه این موارد، اجزای مختلف باید تعامل داشته باشند و با هم ارتباط برقرار کنند. در برخی موارد، این امر می‌تواند از طریق ارتباطات سیمی صورت بپذیرد. با این حال، برای اتصال بسیاری از وسایل ارتباطی در سایت‌های بزرگ (و در سیستم‌های پایش بزرگ) باید از روش بدون سیم استفاده کرد. در این مورد می‌توان از امواج مایکروویو و یا فرکانس رادیویی (RF) کمک گرفت.
چندین دستگاه با استفاده از گرافن ساخته شده است که می‌توانند به عنوان فرستنده یا گیرنده برای هر دو موج RF و مایکروویو عمل کند. استفاده از امواج RF رویکرد رایج‌تری است. بسیاری از موارد بر پایه ایجاد ترانزیستورهای گرافنی هستند که در ابتدا می‌توان از آنها برای ساخت آنتن (برای گیرنده یا فرستنده) استفاده کرد که می‌توانند با استفاده از امواج الکترومغناطیسی متفاوت ارتباط برقرار کنند.
ترانزیستورهای گرافنی همچنین در دیگر اجزای فرستنده/گیرنده، از جمله تقویت‌کننده‌ها، میکسرها، سوییچ‌ها، اسیلاتورها و مدولاتورها مورد استفاده قرار می‌گیرند که اشکال مختلفی از مدولاسیون سیگنال را ممکن می‌سازند.
در حالی که ویژگی‌های الکتریکی گرافن در ساخت ترانزیستورهای بسیار کارآمد (و کوچک)، بسیار مهم است، اما اندازه کوچک، خصوصیات مکانیکی آن و همچنین خصوصیاتی که گرافن به ترانزیستورها القا می‌کند نیز از اهمیت حیاتی برخوردار است. به عنوان مثال، ترانزیستورهای گرافنی بسیاری تا به حال ساخته شده‌اند و علاقه زیادی به ایجاد سیستم‌های ارتباطی RF با گرافن وجود داشته است. بسیاری از این دستگاه‌ها تا به امروز عملکرد بالایی نشان داده‌اند، و دارای بهره بالا و فرکانس قطع بالا هستند که می‌تواند در دامنه گیگاهرتز (GHz) و تراهرتز (THz) بالا باشد.
علاقه بسیاری به توسعه سیستم‌های ارتبازی بی‌سیم مبتنی بر گرافن وجود دارد، اما آنها به مرحله سطح تجاری‌سازی/پذیرش بازار، که سایر سیستم‌های مبتنی بر گرافن در آن قرار دارند، نرسیده‌اند. با این وجود، (اگر تلاش‌های تحقیق و توسعه ادامه یابد) پتانسیل استفاده از گرافن در این سیستم‌های ارتباطی در آینده نزدیک وجود دارد؛ چرا که چندین مؤلفه مختلف در سیستم‌های گیرنده/فرستنده وجود دارد که گرافن را می‌توان در آن ادغام کرد.