زمانی که یک باتری لیتیوم-یون در آستانه آتش‌سوزی است، صدای خاصی شبیه به کلیک-هیس تولید می‌کند که ناشی از فرار گازها است.
محققان NIST هوش مصنوعی را آموزش داده‌اند تا این صدا را حتی در محیط‌های پر سر و صدا تشخیص دهد.
محققان موسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) روشی برای استفاده از صدا برای تشخیص زمانی که باتری‌های لیتیوم-یون در آستانه آتش‌سوزی هستند، توسعه داده‌اند. تیم NIST شامل وی چئونگ “اندی” تام و آنتونی پوتورتی می‌شود.
باتری‌های لیتیوم-یون در اطراف ما فراوان هستند: ممکن است در تلفن همراه، لپ‌تاپ، دوچرخه برقی یا خودروهای برقی شما وجود داشته باشند. ممکن است چندین عدد از این باتری‌ها در دسترس شما باشد و حتی صدها عدد از آن‌ها در ساختمان شما وجود داشته باشد.
این باتری‌ها به دلیل قابلیت ذخیره انرژی زیاد در فضایی کوچک محبوب هستند. این ویژگی آن‌ها را مفید می‌کند، اما همچنین خطراتی به همراه دارد. اگر باتری لیتیوم-یون بیش از حد گرم شود یا آسیب ببیند، ممکن است آتش بگیرد یا حتی منفجر شود. و خطر آتش‌سوزی باتری‌ها در حال افزایش است. در سال 2023، آتش‌نشانی نیویورک به 268 آتش‌سوزی مسکونی ناشی از باتری‌های دوچرخه‌های برقی پاسخ داد که باعث 150 زخمی و 18 کشته شد.
این آتش‌سوزی‌ها به دلیل دمای بسیار بالای آن‌ها، تقریباً به طور آنی، بسیار خطرناک هستند. یک باتری می‌تواند جت آتشی به دمای 1100 درجه سانتی‌گراد (2012 درجه فارنهایت) تولید کند که تقریباً به اندازه دمای شعله‌پز است و این دما تنها در حدود یک ثانیه به آن می‌رسد. این با سایر انواع آتش‌سوزی‌های مسکونی تفاوت زیادی دارد که معمولاً آهسته‌تر شروع می‌شوند، به صورت دود یا شعله‌ای کوچک. در این گونه آتش‌سوزی‌ها، زمان بیشتری برای رسیدن دود به دتکتور دود و هشدار به مردم در مورد خطر وجود دارد.
علاوه بر گرم شدن سریع‌تر، یک باتری لیتیوم-یون در مراحل اولیه خرابی، دود زیادی تولید نمی‌کند که بتوان آن را تشخیص داد. تا زمانی که دود محدود باعث فعال شدن آلارم دود سنتی شود، ممکن است خیلی دیر شده باشد که از گسترش آتش جلوگیری شود. بنابراین داشتن روشی برای تشخیص زودهنگام این آتش‌سوزی‌ها مفید خواهد بود.
تام گفت: “هنگام تماشای ویدئوهای باتری‌های منفجر شده، متوجه چیزی جالب شدم. درست قبل از شروع آتش‌سوزی، شیر ایمنی باتری شکسته و صدای کوچکی ایجاد کرد. فکر کردم شاید بتوانیم از این استفاده کنیم.” او اولین کسی نبود که این مشاهده را انجام داد، اما می‌خواست ببیند آیا می‌تواند این ایده را خودش آزمایش کند یا نه. قبل از آنکه یک باتری لیتیوم-یون آتش بگیرد، یک واکنش شیمیایی باعث می‌شود که فشار داخل آن افزایش یابد. باتری شروع به ورم کردن می‌کند. بسیاری از سلول‌های باتری لیتیوم-یون نمی‌توانند منبسط شوند زیرا بدنه‌های سختی دارند. بسیاری از این بدنه‌های سخت شامل یک شیر ایمنی هستند که برای شکست و آزاد کردن این فشار طراحی شده‌اند. این شکستن شیر ایمنی همان صدایی است که تام در ویدئوها شنید. این صدا یک کلیک-هیس مشخص است، چیزی شبیه به صدای باز کردن یک بطری نوشابه.
مطالعات قبلی نشان داده‌اند که صدا می‌تواند در سیستم‌های هشدار زودهنگام مورد استفاده قرار گیرد. اما صداهای زیادی در دنیا وجود دارند که شبیه به صدای شکستن شیر ایمنی هستند، مانند صدای منگنه زدن یا انداختن یک گیره کاغذ. یک دتکتور خیلی مفید نخواهد بود اگر هر صدای تصادفی در اتاق آن را فعال کند. بنابراین، محققان به نرم‌افزاری نیاز داشتند که بتواند به طور قابل اعتماد صدای شکستن شیر ایمنی را تشخیص دهد و صدای سایر نویزها را تشخیص ندهد. آن‌ها تصمیم گرفتند از هوش مصنوعی استفاده کنند. تام و پوتورتی یک الگوریتم یادگیری ماشین را آموزش دادند تا این صدای خاص را تشخیص دهد.
برای اینکه الگوریتم کار کند، آن‌ها ابتدا به تعداد زیادی مثال از این صدا نیاز داشتند. از طریق همکاری با یک آزمایشگاه در دانشگاه علم و فناوری شی‌آن، آن‌ها صدای 38 باتری منفجر شده را ضبط کردند. سپس سرعت و ارتفاع این ضبط‌ها را تنظیم کردند تا آن‌ها را به بیش از 1,000 نمونه صوتی منحصر به فرد تبدیل کنند که بتوانند از آن‌ها برای آموزش نرم‌افزار استفاده کنند و به آن بیاموزند که صدای شکستن شیر ایمنی چگونه است.
این الگوریتم به طرز شگفت‌انگیزی خوب عمل می‌کند. با استفاده از یک میکروفون نصب شده بر روی دوربین، محققان صدای باتری در حال overheated (گرم شدن بیش از حد) را 94٪ مواقع تشخیص دادند.
تام توضیح داد: “من سعی کردم با استفاده از انواع مختلف نویزها الگوریتم را گیج کنم، از ضبط‌های صدای قدم زدن افراد گرفته تا صدای بستن درها و باز کردن قوطی‌های نوشابه.” “فقط چند مورد از آن‌ها دتکتور را گیج کردند.” تام نتایج مطالعه خود را در سیزدهمین سمپوزیوم آسیایی-اقیانوسیه علوم آتش و فناوری ارائه داد. او و پوتورتی برای ثبت اختراع درخواست داده‌اند و قصد دارند این مسیر تحقیقاتی را با انواع مختلف باتری‌ها و میکروفن‌ها ادامه دهند. در آزمایش‌های خود، آن‌ها مشاهده کردند که شیر ایمنی حدود دو دقیقه قبل از آنکه باتری به طور فاجعه‌بار خراب شود، می‌شکند. آن‌ها همچنین قصد دارند این زمان هشدار را با انجام آزمایش‌های بیشتر بر روی انواع مختلف باتری‌ها تأیید کنند.
زمانی که این فناوری به طور کامل توسعه یابد، می‌توان از آن برای ساخت نوع جدیدی از آلارم‌های آتش استفاده کرد. این آلارم‌ها می‌توانند در منازل، ساختمان‌های اداری، یا مکان‌هایی که باتری‌های زیادی در آن‌ها وجود دارد، مانند انبارها و پارکینگ‌های خودروهای برقی نصب شوند. هشدار پیشرفته‌ای که این سیستم‌ها فراهم می‌کنند، می‌تواند به افراد زمان کافی برای تخلیه مکان بدهد. کلید داشتن یک رابطه سالم با باتری‌های لیتیوم-یون شاید فقط در گوش دادن دقیق باشد
