解决气候危机不仅仅是每个人都驾驶电动汽车和在家中安装太阳能电池板。这是关于重新设计我们的生活方式，包括彻底改变我们生产日常产品的方式。
随着研究人员竞相寻找世界上需要更具弹性和可持续性的最新和最伟大的技术，特拉华大学的一个教育工作者团队的目标是通过国家科学基金会的 300 万美元赠款，为更可再生的制造业未来创建蓝图基础。
“教育新一代工程师试图改变我们如何利用有限资源的心态非常重要，”UD 的 Bob 和 Jane Gore 化学和生物分子工程百年纪念主席 Marianthi Ierapetritou 说。她将与化学和生物分子工程系教授 Dionisios Vlachos 和 Raul Lobo、电气和计算机工程系副教授 Hui Fang 和Joseph R. Biden, Jr. 公共政策和行政学院助理教授 Kalim Shah一起领导该项目2022年启动未来制造项目。
目标是彻底检查有关制造中可再生产品和工艺的现有文献，这将有助于研究人员综合现有数据并确定知识差距。从那里，研究人员可以开发一个框架来检查替代产品和工艺的潜在经济、环境和市场影响，同时评估将新的“绿色”解决方案引入现有供应链和消费市场的现实可能性。
“这里的主要想法是如何更好地利用可用信息，”Ierapetritou 说。“这是化学工程、计算机科学和公共政策之间的合作。”
工程学院和拜登学院的几名本科和研究生水平的学生将参与一些计算工作、研究和设计，同时与现实世界的化学公司和美国化学工程师协会的快速发展进程合作集约化部署(RAPID) 研究所作为制造合作伙伴。该项目的资金预计将持续四年。
通过使用计算机挖掘现有研究中的创新——这项任务需要多名研究生数月或数年才能完成——这些研究人员可以提取所需的信息，以更好地了解改变我们生产和消费产品的方式所需的信息。
“我们是一个支持团队，而化学工程团队需要使用我们提取的信息，”方说。“这就像我们正在收集所有可用的食谱，这样我们就可以让厨师创造一些新的菜肴。”
由于每天使用的许多产品都是由石化产品(化石燃料)制成的，因此研究人员正在寻找方法来制造更多可再生产品，这些产品需要更少的能源并产生更少的废物。世界各地的科学家一致认为，全球温室气体排放必须达到零，以避免全球变暖水平预计会导致比近年来全球发生的致命洪水、火灾和风暴更严重的气候灾难。
但是，为社会制造产品的方式寻找可再生和现实的替代品意味着在分子水平上进行创新，Vlachos 解释说，Unidel Dan Rich 能源化学和生物分子工程教授、能源创新催化中心主任和特拉华能源主任研究所。
当涉及计算机智能时，这项任务可以更有效地解决。研究人员无需使用昂贵的实验室设备、化学品、分子和催化剂，而是可以使用化学信息和数据科学信息的计算机程序为他们指明正确的方向。
“你不想建造一个价值 200 亿美元的工厂，然后它就失败了。那将是一场灾难，”弗拉乔斯说。“我希望我的计算机程序能够做出更好的预测。那么，您如何建立从这里到那里的新化学路线?我们需要电脑来告诉我们。”
这也意味着教授计算机化学，这意味着模型只能和他们受过训练一样好。尽管如此，这些程序处理信息的速度将比一群从事试错实验的人类研究人员快得多，同时也消除了对物理资源的需求。
例如，计算机程序可以从现有的科学文献中提取关于糖葡萄糖等分子如何反应的所有信息。有了这些信息，该模型就可以探索不同分子的不同组合如何发挥作用，以及不同组合可能产生的新结果，例如糖和盐的组合如何影响蛋糕混合物。
“我们正在改变整个过程，并使用计算机科学和计算机模拟来了解选项并为您提供最佳选择，甚至无需进入实验室，”Ierapetritou 说。“这就是为什么它被称为‘未来制造业’。它不是针对当前的制造业需求，而是针对未来的需求和我们想去的地方。”
除了寻找理想的分子和工艺来制造更可持续的产品外，该项目还将研究生产这些产品的可行性。例如，如果制造某些东西的原材料只能在特定地点季节性供应，例如秋季收获后玉米的可用废料，那么拥有可以在特定时间搬迁的模块化制造单元是否会更有效和更具成本效益?而不是建造一个需要额外运输原材料的大型制造工厂?
“我认为它可能会彻底改变我们对供应链的思考方式，”Ierapetritou 说。“尤其是现在我们都在为不优化供应链付出代价。”
这个跨学科团队也正在开展由 NSF 资助的类似项目，并与堪萨斯大学和匹兹堡州立大学合作，寻找塑料的可持续替代品。
为了可能发挥作用，这些解决方案还需要基于现实——这意味着这些选择还需要考虑物流和生产和加工成本、现实市场、消费者态度和潜在的环境影响。
“第二部分是市场部分，”拜登学院助理教授沙阿说。“我们如何向行业推广这种绿色或环保的方法?”
他解释说，Shah 将通过这个名为“基于代理的建模”的项目使用的建模将允许研究人员模拟现实世界的环境，以探索某种产品是否会在放大的水平上工作。但是人类行为并不是很容易建模。
“我们不会假设我们知道不同类型的演员将如何表演，”沙阿说。“我们将对人、社区、企业进行行为调查，并使用行为和物理原则和想法，尝试将我们从调查中获得的信息转化为我们可以编程的规则。”
该项目的重点是优化开发新产品所需的未来流程，这些新产品可以提供与气候相关的好处，从基础材料的收获方式、这些基础化学品的加工方式到产品的实际生产方式。这包括从头到尾的供应链流程，以及营销新的“绿色”解决方案将发挥的作用。
通过使用基于代理的建模，研究人员可以模拟产品及其相关处理如何适应特定领域，或者他们提出的想法可能会遇到意想不到的障碍。
“把它想象成模拟人生游戏编程中的任何内容，”Shah 说，并指出他们的模型输出将是数字、图表和统计数据的集合，不像价值数百万美元的虚拟游戏那样美观。
当科学家们试图传达迫切需要迅速改变以应对气候危机时，Shah 计划为该项目开发的模拟也可以应用于其他项目。方领导的计算和建模工作也可以应用于其他类似的项目。
“有多个规模和多个层次的模型，最终我们希望将它们结合在一起，”弗拉乔斯说。“然后我们需要引入社会和决策，而不仅仅是科学本身，看看我们要去哪里。”
“基于科学、基于事实、基于数据的模型可以帮助国家以正确的科学朝着正确的方向前进。现在我们需要交付。我们会交付的。”
