Using machine learning to discover shape descriptors for predicting emulsion stability in a microfluidic channel
Notice bibliographique
Résumé
In soft matter consisting of many deformable objects, object shapes often carry important information about local forces and their interactions with the local environment, and can be tightly coupled to the bulk properties and functions. In a concentrated emulsion, for example, the shapes of individual droplets are directly related to the local stress arising from interactions with neighboring drops, which in turn determine their stability and the resulting rheological properties. Shape descriptors used in prior work on single drops and dilute emulsions, where droplet-droplet interactions are largely negligible and the drop shapes are simple, are insufficient to fully capture the broad range of droplet shapes in a concentrated system. This paper describes the application of a machine learning method, specifically a convolutional autoencoder model, that learns to: (1) discover a low-dimensional code (8-dimensional) to describe droplet shapes within a concentrated emulsion, and (2) predict whether the drop will become unstable and undergo break-up. The input consists of images (N = 500 002) of two-dimensional droplet boundaries extracted from movies of a concentrated emulsion flowing through a confined microfluidic channel as a monolayer. The model is able to faithfully reconstruct droplet shapes, as well as to achieve a classification accuracy of 91.7% in the prediction of droplet break-up, compared with ∼60% using conventional scalar descriptors based on droplet elongation. It is observed that 4 out of the 8 dimensions of the code are interpretable, corresponding to drop skewness, elongation, throat size, and surface curvature, respectively. Furthermore, the results show that drop elongation, throat size, and surface curvature are dominant factors in predicting droplet break-up for the flow conditions tested. The method presented is expected to facilitate follow-on work to identify the relationship between drop shapes and the interactions with other drops, and to identify potentially new modes of break-up mechanisms in a concentrated system. Finally, the method developed here should also apply to other soft materials such as foams, gels, and cells and tissues.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».