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Nos chercheurs en action – Un robot qui révolutionne la recherche moléculaire
2023-07-06 / Nouvelles
Dans le passionnant monde de la recherche scientifique, les collaborations entre universités et les entreprises en technologies innovantes peuvent donner naissance à des avancées remarquables. Pour une entreprise comme Pyrowave, qui pave la voie à des technologies disruptives, les défis techniques rencontrés nécessitent parfois des solutions inédites !
Le partenariat entre Polytechnique Montréal et Pyrowave pour modéliser le comportement des molécules dans un réacteur aux micro-ondes porte déjà ses fruits grâce à un nouvel allié: le COBOT, un bras robotisé qui mesure une infinité de données sans jamais se fatiguer.
Le projet de recherche, débuté depuis maintenant 3 ans, a pour objectif de comprendre des phénomènes à la source de nombreuses questions dans le domaine scientifique : les mécanismes complexes dans un réacteur micro-ondes qui permettent de ramener le polystyrène à son état d’origine, identique au produit vierge issu de la matière fossile.
La technologie brevetée de Pyrowave a un avantage environnemental et économique considérable pour de nombreuses industries, car les micro-ondes sont alimentés par l’électricité, une source d’énergie pouvant être renouvelable et propre, en plus d’être plus efficace que les procédés chimiques traditionnels. Le projet de recherche permet d’optimiser la technologie et d’en décupler le potentiel.
Cette approche est révolutionnaire et nécessite de développer de nouveaux instruments de laboratoire, tel qu’un allié robotisé!
Ouvrir la boîte noire!
Le polystyrène que Pyrowave recycle est sous forme liquide dans le réacteur, et le polystyrène liquide est un fluide vraiment particulier. Bruno Blais, le professeur agrégé à Polytechnique Montréal qui pilote le projet explique que c’est un fluide dont la texture s’apparente à celle du miel lorsqu’on ne l’agite pas, mais il se liquéfie comme de l’eau lorsqu’il est brassé.
Normalement, des caméras hautes vitesses sont utilisées pour capter les caractéristiques des fluides et générer des données qui permettent ensuite de créer des modélisations numériques. Une technique toutefois impossible à utiliser dans le cadre de la recherche : l’imposant réacteur micro-ondes est opaque, et le fluide aussi! L’équipe de recherche s’est alors trouvée face à une problématique unique, nécessitant une solution unique.
Le professeur Bruno Blais est accompagné de Ghazaleh Mirakhori, dont le doctorat porte sur le projet de recherche et du Professeur Jamal Chaouki. Plusieurs stagiaires ont aussi contribué au projet.
Une révolution à six axes
Pour réussir à ‘prendre des photos’ à l’intérieur du réacteur, l'équipe s'est tout d'abord inspirée d'une technique développée à Polytechnique Montréal dans les années 1990, connue sous le nom de radio active particule tracking. Cette technique a été développée en partie grâce à la contribution de Jocelyn Doucet, PDG de Pyrowave, lors de son projet de doctorat.
Elle fonctionne de manière similaire à un système GPS : les chercheurs calculent la position d'une bille très faiblement radioactive dans un espace sécurisé. Les données ainsi recueillies servent à construire un modèle mathématique. La bille pourrait ensuite être déposée dans le réacteur durant un test. En suivant ses différentes positions, on peut ensuite modéliser les mouvements des fluides.
Cependant, les chercheurs doivent manuellement déplacer la bille pour la construction du modèle, ce qui limite la précision des données obtenues et introduit une marge d’erreur importante.
Suite à de nombreux tests et un travail collaboratif, l’équipe de Polytechnique et Pyrowave en sont venus à se demander : à l’ère de l’intelligence artificielle et des données massives, pourquoi ne pas les utiliser pour générer des modèles hyper précis?
Une véritable petite révolution dans le domaine de la recherche a alors émergé de cette question : l’équipe s’est procuré un robot collaboratif, ou COBOT, qui effectue les déplacements qu’on lui programme.
La même méthode de modélisation peut alors être accomplie, mais avec une précision inégalée. Articulé par six axes, le COBOT peut déplacer la bille à volonté, sans jamais se fatiguer (ou souffrir de la canicule!) et suivre n'importe quelle trajectoire. Ainsi, au lieu d'avoir une trentaine de points de données mesurés à la main, le robot peut mesurer des points toutes les 10 millisecondes pendant plusieurs heures, sans aucune contrainte humaine. La quantité considérable de données générées permet à l’équipe de bâtir un modèle infiniment plus précis et d’utiliser l'apprentissage automatique (machine learning) pour entraîner l’intelligence artificielle qui détermine les mouvements de la bille à l’intérieur du réacteur.
Découvrez le COBOT en action. Le vidéo est un accéléré d’un test d’environ 10 minutes.
Les progrès réalisés dans ce projet sont donc très encourageants ! La technique développée représente un véritable changement de paradigme.
« Cela permet d'atteindre un niveau de précision tout simplement inimaginable auparavant. Grâce à cette nouvelle technique, il est possible de cartographier les mouvements des particules et du fluide à l'intérieur des réacteurs chimiques. Cela améliore considérablement l'efficacité des processus de réactions chimiques en offrant une meilleure compréhension des échanges qui se produisent à l'intérieur. C'est une avancée majeure qui ouvre de nouvelles perspectives fascinantes pour le domaine de recherche. »
- Ghazaleh Mirakhori
L’avenir de COBOT dans d’autres industries
Cette première phase qui visait à appliquer le COBOT à une méthodologie inédite a permis de réaliser des analyses qui étaient impossibles jusqu'à présent. Les prochaines étapes consistent à peaufiner les détails techniques et à rendre le COBOT opérationnel dans un environnement industriel, en particulier avec les réacteurs Pyrowave.
Le professeur Blais perçoit un énorme potentiel dans cette avancée pour accélérer le développement de nouvelles techniques dans diverses industries où les réacteurs opaques sont fréquemment utilisés, telles que la pharmaceutique, l'agroalimentaire et évidemment, le recyclage chimique.
Le partenariat entre Polytechnique Montréal et Pyrowave pour modéliser le comportement des molécules dans un réacteur aux micro-ondes porte déjà ses fruits grâce à un nouvel allié: le COBOT, un bras robotisé qui mesure une infinité de données sans jamais se fatiguer.
Le projet de recherche, débuté depuis maintenant 3 ans, a pour objectif de comprendre des phénomènes à la source de nombreuses questions dans le domaine scientifique : les mécanismes complexes dans un réacteur micro-ondes qui permettent de ramener le polystyrène à son état d’origine, identique au produit vierge issu de la matière fossile.
La technologie brevetée de Pyrowave a un avantage environnemental et économique considérable pour de nombreuses industries, car les micro-ondes sont alimentés par l’électricité, une source d’énergie pouvant être renouvelable et propre, en plus d’être plus efficace que les procédés chimiques traditionnels. Le projet de recherche permet d’optimiser la technologie et d’en décupler le potentiel.
Cette approche est révolutionnaire et nécessite de développer de nouveaux instruments de laboratoire, tel qu’un allié robotisé!
Ouvrir la boîte noire!
Le polystyrène que Pyrowave recycle est sous forme liquide dans le réacteur, et le polystyrène liquide est un fluide vraiment particulier. Bruno Blais, le professeur agrégé à Polytechnique Montréal qui pilote le projet explique que c’est un fluide dont la texture s’apparente à celle du miel lorsqu’on ne l’agite pas, mais il se liquéfie comme de l’eau lorsqu’il est brassé.
Normalement, des caméras hautes vitesses sont utilisées pour capter les caractéristiques des fluides et générer des données qui permettent ensuite de créer des modélisations numériques. Une technique toutefois impossible à utiliser dans le cadre de la recherche : l’imposant réacteur micro-ondes est opaque, et le fluide aussi! L’équipe de recherche s’est alors trouvée face à une problématique unique, nécessitant une solution unique.
Le professeur Bruno Blais est accompagné de Ghazaleh Mirakhori, dont le doctorat porte sur le projet de recherche et du Professeur Jamal Chaouki. Plusieurs stagiaires ont aussi contribué au projet.
Une révolution à six axes
Pour réussir à ‘prendre des photos’ à l’intérieur du réacteur, l'équipe s'est tout d'abord inspirée d'une technique développée à Polytechnique Montréal dans les années 1990, connue sous le nom de radio active particule tracking. Cette technique a été développée en partie grâce à la contribution de Jocelyn Doucet, PDG de Pyrowave, lors de son projet de doctorat.
Elle fonctionne de manière similaire à un système GPS : les chercheurs calculent la position d'une bille très faiblement radioactive dans un espace sécurisé. Les données ainsi recueillies servent à construire un modèle mathématique. La bille pourrait ensuite être déposée dans le réacteur durant un test. En suivant ses différentes positions, on peut ensuite modéliser les mouvements des fluides.
Cependant, les chercheurs doivent manuellement déplacer la bille pour la construction du modèle, ce qui limite la précision des données obtenues et introduit une marge d’erreur importante.
Suite à de nombreux tests et un travail collaboratif, l’équipe de Polytechnique et Pyrowave en sont venus à se demander : à l’ère de l’intelligence artificielle et des données massives, pourquoi ne pas les utiliser pour générer des modèles hyper précis?
Une véritable petite révolution dans le domaine de la recherche a alors émergé de cette question : l’équipe s’est procuré un robot collaboratif, ou COBOT, qui effectue les déplacements qu’on lui programme.
La même méthode de modélisation peut alors être accomplie, mais avec une précision inégalée. Articulé par six axes, le COBOT peut déplacer la bille à volonté, sans jamais se fatiguer (ou souffrir de la canicule!) et suivre n'importe quelle trajectoire. Ainsi, au lieu d'avoir une trentaine de points de données mesurés à la main, le robot peut mesurer des points toutes les 10 millisecondes pendant plusieurs heures, sans aucune contrainte humaine. La quantité considérable de données générées permet à l’équipe de bâtir un modèle infiniment plus précis et d’utiliser l'apprentissage automatique (machine learning) pour entraîner l’intelligence artificielle qui détermine les mouvements de la bille à l’intérieur du réacteur.
Découvrez le COBOT en action. Le vidéo est un accéléré d’un test d’environ 10 minutes.
Les progrès réalisés dans ce projet sont donc très encourageants ! La technique développée représente un véritable changement de paradigme.
« Cela permet d'atteindre un niveau de précision tout simplement inimaginable auparavant. Grâce à cette nouvelle technique, il est possible de cartographier les mouvements des particules et du fluide à l'intérieur des réacteurs chimiques. Cela améliore considérablement l'efficacité des processus de réactions chimiques en offrant une meilleure compréhension des échanges qui se produisent à l'intérieur. C'est une avancée majeure qui ouvre de nouvelles perspectives fascinantes pour le domaine de recherche. »
- Ghazaleh Mirakhori
L’avenir de COBOT dans d’autres industries
Cette première phase qui visait à appliquer le COBOT à une méthodologie inédite a permis de réaliser des analyses qui étaient impossibles jusqu'à présent. Les prochaines étapes consistent à peaufiner les détails techniques et à rendre le COBOT opérationnel dans un environnement industriel, en particulier avec les réacteurs Pyrowave.
Le professeur Blais perçoit un énorme potentiel dans cette avancée pour accélérer le développement de nouvelles techniques dans diverses industries où les réacteurs opaques sont fréquemment utilisés, telles que la pharmaceutique, l'agroalimentaire et évidemment, le recyclage chimique.
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