Самозапитывающийся сенсорный материал мониторит собственное структурное здоровье

Лаборатория интеллектуального структурного мониторинга и тестирования отклика (iSMaRT) в Школе инженерии Swanson Питтсбургского университета спроектировала новый класс самосознательных материалов.

Самозапитывающаяся метаматериальная система, по сути, является собственным сенсором, записывающим и передающим важную информацию о давлении и напряжениях на своей структуре. Эта способность поддерживает широкий спектр сенсорных и мониторинговых приложений, согласно Амиру Алави, ассистенту профессора гражданского и экологического инженерии и биоинженерии, возглавляющему лабораторию iSMaRT.

Исследование команды недавно опубликовано в Nano Energy .

«Самосознательные метаматериальные системы, которые мы изобрели, могут предлагать эти характеристики, объединяя передовые метаматериалы и технологии сбора энергии на многоуровневой основе, будь то медицинский стент, амортизатор или крыло самолета», — сказал проф. Алави .

Существующие самосенсорные материалы — композиты, полагающиеся на разные формы углеродных волокон как сенсорные модули. Подход iSMaRT, напротив, требует давления.

Под давлением контактная электрификация происходит между проводимыми и диэлектрическими слоями материала, создавая электрический заряд, передающий информацию о состоянии материала. Выработанная энергией встроенного механизма трибоэлектрического наногенератора устраняет необходимость во внешнем источнике питания — прорыв, по мнению изобретателей.

«Мы верим, что это изобретение меняет правила игры в науке о метаматериалах, где многофункциональность теперь набирает большой импульс», — сказал Кавех Барри, главный автор и докторант в лаборатории Алави . «В то время как значительная часть текущих усилий в этой области лишь исследовала новые механические свойства, мы идем дальше, вводя революционные механизмы самозарядки и самосенсорирования в ткань материальных систем».

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

«Представьте, как мы можем даже адаптировать эту концепцию для построения структурно-здоровых самозапитывающихся космических жилищ, используя только местные материалы на Марсе и за его пределами», — сказал Алави.

В Q&A с Tech Briefs ниже проф. Алави объясняет больше о возможных приложениях материала — и насколько близки мы к самосознательным космическим структурам.

Tech Briefs: Какие приложения могут получить наибольшую пользу от «самосознания» материала?

Проф. Амир Алави: Уверен, что технология самосознательных материалов будет иметь широкий спектр применений в аэрокосмике, биомедицинских устройствах, гражданской инфраструктуре и строительстве. Мы уже исследовали их возможности в аэрокосмической и биомедицинской сферах через прототипирование самозапитывающихся и самосенсорных стентов сосудов и амортизаторов.

Наиболее непосредственное и полезное применение этой технологии — проектирование нового поколения биомедицинских устройств. В рамках этой концепции вы можете превратить медицинские импланты в сенсоры и наногенераторы без внедрения какой-либо электроники. Красота концепции в том, что она дает множество биосовместимых и даже биоресорбируемых вариантов материалов для fabricación их имплантируемых систем и просто настраивать механические свойства имплантов для желаемой производительности.

Tech Briefs: Видите ли вы другие области, где эта «самосознательная» технология будет полезна?

Проф. Амир Алави: Очевидно, технология будет иметь массивные применения в гражданской инфраструктуре и строительстве, потому что вы можете использовать ее для проектирования умных структур, легких по массе, низких по стоимости, высоко масштабируемых и механически настраиваемых. В гражданском строительстве мы обычно имеем дело с мега-структурами, где нужны тонны сенсоров для мониторинга их состояния и здоровья. Эти плотные сенсорные сети трудно устанавливать и обслуживать в крупномасштабных структурах. Теперь представьте самосознательную мега-структуру (как мост), где сама структура является сенсорной средой через рациональный архитектурный дизайн и выбор составных материалов. Вы можете просто прикрепить провода к любой точке структуры, чтобы собирать информацию о ее структурном состоянии. Это было бы сменой парадигмы в распределенной сенсорной технологии, что особенно важно для непрерывного мониторинга нашего стареющего инфраструктуры!

Tech Briefs: Какое приложение возбуждает вас больше всего?

Проф. Амир Алави: Самое захватывающее применение технологии — космические исследования, где мы должны полагаться на местные материалы для строительства космических жилищ! Вы можете адаптировать эту технологию для создания первого в своем роде самоподдерживающегося жилища на Марсе и далее. Я представляю это как масштабируемую метаматериальную структуру, достаточно прочную, чтобы выдержать суровую среду, и построенную лишь из материалов марсианской почвы, которые обильны, основанно на измерениях наших космических зондов! Самосознательное космическое жилище могло бы собирать необходимую энергию, используя любой источник вибрации там — скажем, ветер. Одновременно эти структуры будут собирать информацию об оперативной среде и самоконтролировать свое состояние. Эта уникальная способность к самосенсорированию и самоконтролю — почему мы сильно верим, что самосознательные материалы заложат фундамент для будущих живых структур. Мы уже начали работать над различными аспектами нашей технологии для применений в космических исследованиях!

Tech Briefs: Какую мощность генерирует, и как генерируется эта мощность? (Достаточно ли она для поддержки приложений?)

Проф. Амир Алави: Наши самосознательные материальные системы естественно наследуют выдающиеся черты трибоэлектрических наногенераторов. Трибоэлектрические наногенераторы показали значительно высокую плотность мощности (>300 Вт/м2). То же верно для самосознательных материалов. Пока мы фокусируемся на низкоэнергетическом сборе энергии для встраиваемых систем, но такие материальные системы могут извлекать сотни ватт мощности в больших масштабах.

Tech Briefs: Как выглядит метаматериал? Можете помочь нам его визуализировать и его компоненты? Он сильный? Как он на ощупь?

Проф. Амир Алави: Самосознательный метаматериал — искусственный композитный материал, составленный из разных слоев проводимых и диэлектрических слоев, организованных периодическим образом. Материал спроектирован так, что под давлением контактная электрификация происходит между его проводимыми и диэлектрическими слоями, создавая электрический заряд, передающий информацию о состоянии материала.

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

Дизайн материала включает хлопущие сегменты, предлагающие самовосстанавливающееся поведение под нагрузкой. Этот самовосстанавливающийся механизм помогает создавать циклы контакт-разделение и, соответственно, контактную электрификацию. Это формирует статическое электрическое поле и разность потенциалов между проводимыми слоями. Электрические выходные сигналы, генерируемые из-за контактной электрификации, могут использоваться для активного сенсирования внешнего механического воздействия, приложенного к структуре. С другой стороны, генерируемая электрическая энергия может быть собрана и накоплена для питания сенсоров и электроники.

Больше передовых материалов на Tech Briefs

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

Сверхтонкий элемент предлагает «положительный» потенциал для прозрачной электроники.

Для последних новостей посетите наш хаб материалов

Tech Briefs: Ограничивают ли характеристики материала возможные применения?

Проф. Амир Алави: Существует широкий диапазон материалов, которые можно использовать для фабрикации композитных слоев. Эта концепция — слияние концепций метаматериала и сбора энергии. Красота метаматериалов в том, что они — искусственные структуры, основанные на рациональном геометрическом дизайне, а не на химическом составе материала. Так что вы можете настроить дизайн для достижения почти любой желаемой механической производительности. Единственная проблема для нас — оптимизировать различные дизайн- и материал-связанные параметры в композитной матрице самосознательного материала. Мы планируем заботиться об этом с помощью передовых вычислительных моделей.

Tech Briefs: Можете привести меня в приложение? Как бы, скажем, работал «самосознательный» стент?

Проф. Амир Алави: Миллионы сердечно-сосудистых стентов имплантируются каждый год. Наличие стента внутри артерии может привести к избыточному росту артериальной ткани, который может вызвать повторное сужение внутри стента. Эта осложнение, известное как внутристентовая рестеноз, может достигать 50% среди пациентов со стентами. В настоящее время существует серьезная потребность в быстром, неинвазивном и легко доступном методе обнаружения внутристентовой рестенозы. Самосенсорный, биосовместимый и нетоксичный самосознательный стент может быть потенциально развернут для непрерывного мониторинга локальных гемодинамических изменений при переросте ткани и внутристентовой рестенозе. Обратите внимание, что любое сужение из-за внутристентовой рестенозы изменит сигнал, генерируемый самосознательным стентом.

Также посмотрите на этот умный интербодий фьюжн-клетку для мониторинга спинного сращения:

Интербодий фьюжн-клетки широко используются в ортопедии. Наш самосознательный фьюжн-клетка может дать детальную информацию о состоянии позвоночника в процессе заживления. Обычно люди делают это с помощью методов визуализации, таких как рентген или КТ, которые не только неточны, но также дорого и подвергают пациента значительной радиации.

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

Tech Briefs: Помимо медицинских приложений, как этот метаматериал будет работать для чего-то вроде моста?

Проф. Амир Алави: Вы можете обнаружить любые повреждения, отслеживая изменения паттернов сигналов напряжения. Например, трещины меняют паттерны деформации и концентрацию напряжений, которые могут быть уловлены самосознательной настилкой моста. Любые сбои могут потенциально сдвинуть сигнал от базовой линии.

Tech Briefs: На чем вы работаете дальше?

Проф. Амир Алави: Вы, вероятно, заметили огромное применение этой технологии. Вся концепция все еще в зачаточном состоянии, и есть много чего исследовать. Сначала нам нужно обеспечить больше финансирования для изучения различных механических и электрических аспектов этих материальных систем. Долгосрочная производительность этих устройств также нуждается в изучении. Пока у нас много работы в биомедицинских и гражданских инженерных доменах, мы также расширяем наши исследования к приложениям космических исследований этой технологии.

Как вы думаете? Делитесь вопросами и комментариями ниже.