Самоосознающий сенсорный материал усиливает себя

Исследователи создали несколько прототипов для различных применений в гражданской, аэрокосмической и биомедицинской инженерии, от сердечных стентов до мостов и даже космоса.

«Представьте, как мы можем даже адаптировать эту концепцию для создания структурно-устойчивых космических сред обитания с автономным питанием, используя только местные материалы на Марсе и за его пределами», — сказал Алави.

В разделе вопросов и ответов с Tech Briefs ниже профессор Алави объясняет больше о возможных применениях этого материала и о том, насколько мы близки к самоосознающим космическим структурам.

Технические обзоры :Какие приложения могут получить наибольшую пользу от «самосознания» материала?

Проф. Амир Алави :Я уверен, что технология материалов с самосознанием найдет широкое применение в аэрокосмической отрасли, биомедицинских устройствах, гражданской инфраструктуре и строительстве. Мы уже изучили их возможности в аэрокосмической и биомедицинской сфере, создав прототипы стентов и амортизаторов для кровеносных сосудов с автономным питанием и самочувствием.

Наиболее непосредственным и выгодным применением этой технологии является разработка биомедицинских устройств нового поколения. В соответствии с этой концепцией вы можете превратить медицинские имплантаты в датчики и наногенераторы без необходимости включения какой-либо электроники. Прелесть этой концепции в том, что она дает людям множество вариантов биосовместимых и даже биорезорбируемых материалов для изготовления имплантируемых систем и простой настройки механических свойств имплантатов для получения желаемой производительности.

Технические обзоры :Видите ли вы какие-либо другие области, в которых эта технология «самосознания» будет полезна?

Проф. Амир Алави :Очевидно, что эта технология найдет широкое применение в гражданской инфраструктуре и строительстве, потому что ее можно использовать для проектирования интеллектуальных конструкций, которые будут легкими по массе, недорогими, хорошо масштабируемыми и механически настраиваемыми. В гражданском строительстве мы обычно имеем дело с мегаструктурами, где нужны тонны датчиков для контроля за их состоянием и исправностью. Эти плотные сенсорные сети трудно установить и обслуживать в крупномасштабных структурах. Теперь предположим самоосознающую мегаструктуру (например, мост), где структура сама является воспринимающей средой благодаря рациональному архитектурному дизайну и выбору составляющих материалов. Вы можете просто прикрепить провода к любой точке конструкции, чтобы собрать информацию о ее структурном состоянии. Это будет изменение парадигмы в технологии распределенного зондирования, что особенно важно для непрерывного мониторинга нашей устаревающей инфраструктуры!

Технические обзоры :Какое приложение вас больше всего волнует?

Проф. Амир Алави :Самое захватывающее применение технологии — это исследование космоса, где мы должны полагаться на местные материалы для создания космических сред обитания! Вы можете адаптировать эту технологию для создания первой в своем роде автономной среды обитания на Марсе и за его пределами. Я представляю себе это как масштабируемую структуру из метаматериала, достаточно прочную, чтобы противостоять суровым условиям окружающей среды, и она построена просто с использованием материалов из марсианского грунта, которых, судя по измерениям, сделанным нашими космическими зондами, в изобилии! Самоосознающая космическая среда обитания будет способна собирать необходимую энергию, используя любой источник вибрации — скажем, ветер. При этом эти структуры будут собирать информацию об операционной среде и самостоятельно контролировать ее состояние. Благодаря этой уникальной способности к самоощущению и самоконтролю мы твердо верим, что самоосознающие материалы заложат основу для будущих живых структур. Мы уже начали работать над различными аспектами нашей технологии для исследования космоса!

Технические обзоры :Сколько энергии генерируется и как эта мощность генерируется? (Достаточно ли мощности для поддержки приложений?)

Проф. Амир Алави :Наши самосознающие материальные системы естественным образом наследуют выдающиеся характеристики трибоэлектрических наногенераторов. Трибоэлектрические наногенераторы показали значительно большую удельную мощность (>300 Вт/м2). То же самое справедливо и для самоосознающих материалов. На данный момент мы сосредоточены на маломощном сборе энергии для встраиваемых систем, но такие материальные системы могут использовать сотни ватт энергии в больших масштабах.

Технические обзоры :Как выглядит метаматериал? Можете ли вы помочь нам визуализировать его и его компоненты? Это сильно? Каково это?

Проф. Амир Алави :метаматериал с самосознанием — это искусственный композитный материал, состоящий из различных слоев проводящих и диэлектрических слоев, организованных периодическим образом. Материал разработан таким образом, что под давлением между его проводящим и диэлектрическим слоями возникает контакт-электризация, создавая электрический заряд, передающий информацию о состоянии материала.

Проводящие и диэлектрические слои в этой композитной системе могут быть выбраны из широкого спектра органических и неорганических материалов трибоэлектрического ряда.

Дизайн материала включает в себя защелкивающиеся сегменты, которые обеспечивают самовосстановление под нагрузкой. Этот самовосстанавливающийся механизм способствует созданию циклов контакт-разрыв и, соответственно, контакт-электризации. Это сформирует статическое электрическое поле и разность потенциалов между проводящими слоями. Электрические выходные сигналы, генерируемые контактной электризацией, могут использоваться для активного восприятия внешнего механического возбуждения, приложенного к конструкции. С другой стороны, генерируемая электрическая энергия может быть собрана и сохранена для расширения возможностей датчиков и электроники.

Дополнительные материалы по технической документации

«Живой материал» микроводорослей предлагает новые идеи, от энергетики до моды.

Сверхтонкий элемент предлагает «положительный» потенциал для прозрачной электроники.

Чтобы быть в курсе последних новостей, посетите наш центр материалов

Технические обзоры :ограничивают ли характеристики материала возможные области применения?

Проф. Амир Алави :Существует широкий спектр материалов, которые можно использовать для изготовления композитных слоев. Эта концепция представляет собой слияние концепций метаматериала и сбора энергии. Прелесть метаматериалов в том, что они представляют собой искусственные структуры, основанные на рациональном геометрическом дизайне, а не на химическом составе материала. Таким образом, вы можете настроить конструкцию для достижения практически любых желаемых механических характеристик. Единственная проблема для нас заключается в том, что мы должны оптимизировать различные параметры, связанные с конструкцией и материалами, в составной самосознающей материальной матрице. Мы планируем позаботиться об этом с помощью передовых вычислительных моделей.

Технические обзоры :Можете ли вы привести меня в приложение? Как, скажем, будет работать стент с самосознанием?

Проф. Амир Алави :Ежегодно имплантируются миллионы сердечно-сосудистых стентов. Присутствие стента в артерии может привести к избыточному росту артериальной ткани, что может привести к повторному сужению стента. Это осложнение, известное как рестеноз в стенте, может достигать 50% среди стентированных пациентов. В настоящее время существует серьезная потребность в быстром, неинвазивном и легкодоступном методе выявления рестеноза в стенте. Самоощущающийся, биосовместимый и нетоксичный самоосознающий стент потенциально может быть использован для непрерывного мониторинга локальных гемодинамических изменений при избыточном росте ткани и рестенозе стента. Обратите внимание, что любое изменение направления из-за рестеноза стента изменит сигнал, генерируемый стентом с самораспознаванием.

Также обратите внимание на эту умную межтеловую кейдж для мониторинга спондилодеза:

Межтеловые кейджи широко используются в ортопедии. Наша самосознательная фьюжн-кейдж может дать подробную информацию о состоянии позвоночника в процессе заживления. Обычно люди делают это с помощью методов визуализации, таких как рентген или компьютерная томография, которые не только неточны, но и дорогостоящи и подвергают пациента значительному облучению.

Однако все это прототипы для проверки концепции, и сейчас мы ищем финансирование для клинического перевода.

Технические обзоры :Помимо медицинских приложений, как этот метаматериал будет работать для чего-то вроде мост?

Проф. Амир Алави :Вы можете обнаружить любые повреждения, отслеживая изменения шаблонов сигнала напряжения. Например, трещины изменяют характер деформации и концентрацию напряжения, которые могут быть обнаружены настилом моста с самосознанием. Любые сбои потенциально могут привести к смещению сигнала от базовой линии.

Технические обзоры :Над чем вы работаете дальше?

Проф. Амир Алави :Вы, наверное, заметили огромное применение этой технологии. Вся концепция все еще находится в зачаточном состоянии, и есть что исследовать. Сначала нам нужно получить больше средств для изучения различных механических и электрических аспектов этих материальных систем. Необходимо также изучить долгосрочную работу этих устройств. Хотя нам предстоит многое сделать в области биомедицины и гражданского строительства, мы также расширяем наши исследования, применяя эту технологию для освоения космоса.

Что вы думаете? Поделитесь своими вопросами и комментариями ниже.