歐盟關(guān)于織物和紡織品回收的新指南自 2018 年起生效。這個(gè)對(duì)環(huán)境非常重要的項(xiàng)目的目標(biāo)是從 2025 年起重復(fù)使用全球所有紡織品。芬蘭公司 Specim 的高光譜成像提供了成功實(shí)現(xiàn)這一雄心勃勃目標(biāo)的技術(shù)要求。

紡織業(yè)是造成污染的主要因素，全球人類正日益遭受污染。造成污染的原因多種多樣。一方面，生產(chǎn)織物和服裝需要大量資源，尤其是棉花，需要消耗大量水。另一方面，大量舊紡織品和新紡織品（目前估計(jì)每年約 1600 萬(wàn)噸）最終被填埋，盡管這些材料至少可以部分再利用。此外，作為合成紡織纖維殘留物的微塑料越來(lái)越多地進(jìn)入土壤和水體，它們通過(guò)食物鏈危害整個(gè)動(dòng)物物種和人類的生存。越來(lái)越頻繁地用新衣服替換衣服的趨勢(shì)是造成這種負(fù)面發(fā)展的部分原因。時(shí)尚行業(yè)的公司每年推出的系列越來(lái)越多。過(guò)去，市場(chǎng)上只有一個(gè)新的夏季和冬季系列，而每年推出多達(dá) 25 個(gè)新品已不再罕見。

為了減少這些發(fā)展對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重后果，必須大幅提高紡織品的回收率。目前的手工方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)閱T工無(wú)法以所需的速度和耐力對(duì)不同的物質(zhì)進(jìn)行分類，此外，還需要對(duì)不同類型的紡織品有特殊的了解：僅憑外觀幾乎不可能手工可靠地識(shí)別和分離不同類型的纖維和混紡織物。更糟糕的是，這樣的工作場(chǎng)所通常非常不衛(wèi)生，甚至有潛在危險(xiǎn)，因?yàn)橐诸惖募徔椘分锌赡芎卸舅?。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，手工對(duì)紡織品進(jìn)行分類的成本極其高昂。

01、歐盟針對(duì)紡織廢物的新指導(dǎo)方針

埃斯科·赫拉拉

歐盟于 2018 年通過(guò)了新的紡織廢物處理指南，并為其成員國(guó)設(shè)定了最后期限：到 2025 年，他們應(yīng)該完全回收所有紡織品。根據(jù)目前的技術(shù)水平，這一雄心勃勃的目標(biāo)只能通過(guò)幾種方法實(shí)現(xiàn)。Esko Herrala知道，高光譜成像就是其中一種技術(shù)。芬蘭公司 Specim 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼高級(jí)應(yīng)用專家多年來(lái)一直在研究如何經(jīng)濟(jì)安全地分離和回收不同材料的問(wèn)題。他在為芬蘭議會(huì)撰寫的“未來(lái)委員會(huì)”報(bào)告中為這一主題做出了貢獻(xiàn)。該報(bào)告的目的是找出芬蘭如何從視覺(jué)行業(yè)中受益，以及這項(xiàng)技術(shù)可以在哪些應(yīng)用領(lǐng)域使用。

“我負(fù)責(zé)該報(bào)告的循環(huán)經(jīng)濟(jì)部分，展示了光子系統(tǒng)在廢物分類領(lǐng)域的各種可能用途，”Herrala 說(shuō)道。2019 年，在赫爾辛基議會(huì)展示成果時(shí)，芬蘭政府將紡織品分類確定為優(yōu)先應(yīng)用領(lǐng)域，并設(shè)定了到 2023 年收集和回收該國(guó)所有紡織廢料的目標(biāo)?！胺姨m已經(jīng)是塑料和建筑垃圾分類領(lǐng)域的世界領(lǐng)先國(guó)家之一，我們也希望通過(guò)創(chuàng)新解決方案利用紡織品回收的巨大經(jīng)濟(jì)潛力，”Specim 聯(lián)合創(chuàng)始人解釋道。

02、高光譜 NIR 系統(tǒng)作為解決方案

從 2019 年底開始，Specim 開始集中精力處理這項(xiàng)任務(wù)，并尋找合適的合作伙伴。對(duì)于 NIR 高光譜相機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，顯然這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)被視為紡織品分類的一種可能解決方案。“首先，您必須知道不同的紡織品具有各自的光譜特性，這些特性可用于對(duì)織物進(jìn)行分類?？椢镆从商烊焕w維（如棉花）、動(dòng)物纖維（如羊毛）或合成纖維（如聚酯）制成?；旌峡椢锿ǔＲ灿刹煌愋偷睦w維制成，”Herrala 解釋說(shuō)。“不同材料的化學(xué)和分子結(jié)構(gòu)不同。因此，這些物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波的反應(yīng)方式不同，它們吸收、反射或讓它們穿過(guò)的方式也不同?！?

這些特性可用于使用高光譜成像系統(tǒng)根據(jù)反射光對(duì)紡織品進(jìn)行光譜分析。波長(zhǎng)在近紅外范圍 (NIR) 內(nèi)的特殊相機(jī)與光譜儀相結(jié)合，可以清晰識(shí)別被檢查材料的化學(xué)成分，從而為紡織品的自動(dòng)分類奠定基礎(chǔ)。

Herrala 解釋道：“高光譜 NIR 圖像處理系統(tǒng)與合適的分類算法相結(jié)合，可以區(qū)分不同面料和顏色的物質(zhì)，以及天然纖維、動(dòng)物纖維和合成纖維。這項(xiàng)技術(shù)甚至可以提供有關(guān)混紡面料中合成纖維和天然纖維比例的定量信息?！?

樣品圖片

預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

高光譜技術(shù)可以區(qū)分合成纖維、植物纖維和動(dòng)物纖維

03、具體要求

Herrala 回憶說(shuō)，開發(fā)可靠的紡織品分類解決方案對(duì) Specim 提出了特定要求：“在對(duì)塑料進(jìn)行分類時(shí)，會(huì)出現(xiàn)黑色材料大量吸收光線的現(xiàn)象，這使得區(qū)分不同類型的黑色塑料變得更加困難。黑色織物也會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。我們能夠通過(guò)使用波長(zhǎng)在中紅外范圍內(nèi)的其他相機(jī)（MWIR，中波紅外）來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但由于此類相機(jī)的成本較高，因此必須針對(duì)具體使用情況檢查所需的成本效益?！?

另一個(gè)困難是區(qū)分不同物質(zhì)在潮濕或濕潤(rùn)時(shí)的表現(xiàn)?！拔覀兪褂酶蓾癫牧蟻?lái)訓(xùn)練系統(tǒng)，然后用干濕紡織品測(cè)試分類算法。這種方法得到了可用的結(jié)果，但我們?nèi)匀粌A向于只對(duì)相對(duì)干燥的材料進(jìn)行分類?！?

04、解決方案：Specim FX17

Specim 憑借基于 InGaAs 的光譜相機(jī) FX17 為紡織品分類提供了合適的傳感器解決方案。該相機(jī)的工作波長(zhǎng)范圍為 900 至 1700 nm，除了少數(shù)合成黑色紡織品（例如黑色聚酯或黑色尼龍）外，完全覆蓋了傳統(tǒng)織物的不同光譜特征。

Specim 擁有基于 InGaAs 的光譜相機(jī) FX17，工作波長(zhǎng)范圍為 900 至 1700 nm，為適合對(duì)紡織品進(jìn)行分類的傳感器提供了完美的解決方案。

由于特殊的技術(shù)特性，F(xiàn)X17 相機(jī)在記錄速度方面也非常靈活：它為用戶提供了從 224 個(gè)波長(zhǎng)帶中進(jìn)行選擇和評(píng)估的選項(xiàng)，并且僅使用那些由于測(cè)試對(duì)象的材料特性而對(duì)當(dāng)前應(yīng)用特別有意義的波長(zhǎng)帶。使用的波長(zhǎng)數(shù)量直接影響解決方案的速度：使用的波長(zhǎng)越少，評(píng)估速度越快。此屬性稱為多感興趣區(qū)域 (MROI)，這意味著使用 FX17 時(shí)，在使用所有 224 個(gè)波長(zhǎng)帶時(shí)可以實(shí)現(xiàn)每秒 670 線的記錄速度，但是，隨著波長(zhǎng)帶的減少，每秒甚至可以達(dá)到數(shù)千線。僅使用 4 個(gè)波長(zhǎng)帶，記錄速度就可以超過(guò)每秒 15,000 線。

FX17 的另一個(gè)特點(diǎn)是，通過(guò)調(diào)整相機(jī)的空間分級(jí)配置和不同的分辨率，可以提高檢測(cè)不同類型織物的可靠性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)平均，正如 Herrala 所解釋的那樣：“特別是在紡織品檢測(cè)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)反射或陰影問(wèn)題，這可能是由于傳送帶上運(yùn)輸和區(qū)分紡織品時(shí)出現(xiàn)的紐扣、鉚釘或污垢造成的。如果您不使用單個(gè)測(cè)量值的結(jié)果進(jìn)行分類，而是使用檢查區(qū)域的統(tǒng)計(jì)平均值，那么您更有可能獲得正確的結(jié)果。FX17 提供了這種可能性?！?

由于 FX17 相機(jī)的其他特殊功能，例如 1000: 1 的優(yōu)異信噪比和高吞吐量，從而減少照亮測(cè)試區(qū)域所需的光量或提高分類速度，該相機(jī)已被證明是用于紡織品分類的出色傳感器。

05、自動(dòng)化紡織品回收

自動(dòng)化任務(wù)解決方案不僅需要合適的傳感器，還需要一家希望將技術(shù)推向成熟市場(chǎng)的公司。Specim 找到了商業(yè)開發(fā)公司Prizztech Ltd.這樣的合作伙伴。Prizztech 是一家非盈利組織，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào) Robocoast 數(shù)字創(chuàng)新中心，該中心是芬蘭西部機(jī)器人、人工智能、網(wǎng)絡(luò)安全、物聯(lián)網(wǎng)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的卓越中心。

“我們的目標(biāo)之一是提高我們地區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)力，另一方面是將由此產(chǎn)生的創(chuàng)新理念和解決方案?jìng)鞑サ絿?guó)際上，” Essi Vanha-Viitakoski解釋道。

埃西·萬(wàn)哈·維塔科斯基

她是 Prizztech 的顧問(wèn)，第一次見到 Esko Herrala 是在未來(lái)委員會(huì)?！癝pecim 開發(fā)的高光譜相機(jī)讓我立刻相信它有多種用途。在第一次交談的基礎(chǔ)上，我們隨后針對(duì)食品行業(yè)的任務(wù)進(jìn)行了聯(lián)合應(yīng)用測(cè)試。之后，我完全相信 Specim 的專業(yè)精神，我們決定聯(lián)手推動(dòng)紡織品回收自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)?！?

在此次合作之前，Prizztech 和 Robocoast 數(shù)字創(chuàng)新中心都沒(méi)有處理過(guò)紡織廢料的分類。因此，他們委托了一項(xiàng)關(guān)于這一主題的研究，該研究由歐洲區(qū)域發(fā)展基金 (ERDF) 資助。Vanha-Viitakoski 表示，其中提到的結(jié)果證實(shí)了巨大的潛力：“這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵陳述是，目前全球還沒(méi)有現(xiàn)成的紡織品分類解決方案，但借助可靠的自動(dòng)化技術(shù)以經(jīng)濟(jì)的方式解決這項(xiàng)任務(wù)的緊迫性在未來(lái)將繼續(xù)增加。”

這些結(jié)果進(jìn)一步激勵(lì)了項(xiàng)目合作伙伴推動(dòng)合適技術(shù)的開發(fā)。Esko Herrala 表示：“這項(xiàng)工作尚未完成，但我們已經(jīng)知道了大多數(shù)可能的分類問(wèn)題以及成功的關(guān)鍵，無(wú)論是從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上。借助高光譜成像和合適的分類算法，大部分紡織品都可以自動(dòng)分類?！?

Essi Vanha-Viitakoski 證實(shí)：“Specim 高光譜相機(jī)與所有參與者現(xiàn)有的軟件和應(yīng)用專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，為紡織品分類領(lǐng)域以及整個(gè)回收行業(yè)創(chuàng)造了減少環(huán)境污染的新機(jī)會(huì)?！薄拔覀兎浅Ｗ院溃姨m找到了解決紡織品回收這一全球問(wèn)題的技術(shù)解決方案。”