Zelfbewust waarnemend materiaal oefent zichzelf uit

Het Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) Lab aan de University of Pittsburgh Swanson School of Engineering heeft een nieuwe klasse van zelfbewuste materialen ontworpen.

Het zelfaandrijvende metamateriaalsysteem is in feite zijn eigen sensor, die belangrijke informatie over de druk en spanningen op zijn structuur opneemt en doorgeeft. De mogelijkheid ondersteunt een breed scala aan detectie- en monitoringtoepassingen, volgens Amir Alavi, assistent-professor civiele en milieutechniek en bio-engineering, die leiding geeft aan het iSMaRT Lab.

Het onderzoek van het team is onlangs gepubliceerd in Nano Energy .

"De zelfbewuste metamateriaalsystemen die we hebben uitgevonden, kunnen deze kenmerken bieden door geavanceerde technologieën voor metamateriaal en energieopwekking op meerdere schalen te combineren, of het nu gaat om een ​​medische stent, schokdemper of een vliegtuigvleugel", zegt prof. Alavi .

Bestaande zelfgevoelige materialen zijn composieten die afhankelijk zijn van verschillende vormen van koolstofvezels als sensormodules. De iSMaRT-aanpak vereist daarentegen druk.

Met druk vindt contactelektrificatie plaats tussen de geleidende en diëlektrische lagen van het materiaal, waardoor een elektrische lading ontstaat die informatie over de toestand van het materiaal doorgeeft. De stroom die wordt gegenereerd door het ingebouwde tribo-elektrische nanogeneratormechanisme van de technologie elimineert de noodzaak van een afzonderlijke stroombron - een doorbraak volgens de uitvinders.

"Wij geloven dat deze uitvinding een game changer is in de metamateriaalwetenschap waar multifunctionaliteit nu veel aandacht krijgt", zegt Kaveh Barri, hoofdauteur en doctoraalstudent in Alavi's lab . "Terwijl een substantieel deel van de huidige inspanningen op dit gebied louter gericht was op het verkennen van nieuwe mechanische eigenschappen, gaan we een stap verder door revolutionaire zelfopladende en zelfgevoelige mechanismen in de structuur van materiaalsystemen te introduceren."

De onderzoekers hebben meerdere prototypeontwerpen gemaakt voor een verscheidenheid aan civiele, ruimtevaart- en biomedische technische toepassingen, van hartstents tot bruggen tot zelfs de ruimte.

"Stel je voor hoe we dit concept zelfs kunnen aanpassen om structureel gezonde, zelfvoorzienende ruimtehabitats te bouwen met alleen inheemse materialen op Mars en daarbuiten," zei Alavi.

In een Q&A met Tech Briefs hieronder legt prof. Alavi meer uit over mogelijke toepassingen van het materiaal - en hoe dicht we bij zelfbewuste ruimtestructuren zijn.

Tech Briefs :Welke toepassingen kunnen het meeste baat hebben bij het "zelfbewustzijn" van een materiaal?

Prof. Amir Alavi :Ik ben ervan overtuigd dat de zelfbewuste materiaaltechnologie een breed scala aan toepassingen zal hebben op het gebied van ruimtevaart, biomedische apparaten, civiele infrastructuur en constructie. We hebben hun mogelijkheden in de lucht- en ruimtevaart en biomedische arena al onderzocht door middel van prototypes van zelfaandrijvende en zelfgevoelige bloedvatstents en schokdempers.

De meest directe en voordelige toepassing van deze technologie is het ontwerpen van een nieuwe generatie biomedische apparaten. Met dit concept kun je de medische implantaten omvormen tot sensoren en nanogeneratoren zonder dat je daar elektronica aan hoeft te besteden. Het mooie van het concept is dat het mensen tal van biocompatibele en zelfs bioresorbeerbare materiaalopties biedt om hun implanteerbare systemen te fabriceren en eenvoudig de mechanische eigenschappen van de implantaten af ​​te stemmen voor een gewenste prestatie.

Tech Briefs :Zie je nog andere gebieden waar deze "zelfbewuste" technologie nuttig zal zijn?

Prof. Amir Alavi :Het is duidelijk dat de technologie enorme toepassingen zal hebben in de civiele infrastructuur en de bouw, omdat je ze kunt gebruiken om slimme constructies te ontwerpen die licht van gewicht, laag in kosten, zeer schaalbaar en mechanisch afstembaar zijn. In de civiele techniek hebben we meestal te maken met megaconstructies waar je tonnen sensoren nodig hebt om hun toestand en gezondheid te bewaken. Deze dichte sensornetwerken zijn moeilijk te installeren en te onderhouden in grootschalige constructies. Ga nu uit van een zelfbewuste megastructuur (zoals een brug) waarbij de structuur zelf een voelend medium is door een rationeel architectonisch ontwerp en de keuze van de samenstellende materialen. U kunt eenvoudig draden aan elk punt op de structuur bevestigen om informatie te verzamelen over de structurele staat ervan. Dit zou een paradigmaverschuiving zijn in gedistribueerde detectietechnologie, wat vooral belangrijk is voor de continue monitoring van onze verouderende infrastructuur!

Tech Briefs :Welke applicatie boeit je het meest?

Prof. Amir Alavi :De meest opwindende toepassing van de technologie is ruimteverkenning, waarbij we moeten vertrouwen op inheemse materialen om ruimtehabitats te bouwen! Je kunt deze technologie aanpassen om een ​​unieke, zelfvoorzienende habitat op Mars en daarbuiten te creëren. Ik stel me dit voor als een schaalbare structuur van metamateriaal die sterk genoeg is om bestand te zijn tegen een barre omgeving en die alleen is gebouwd met materialen in de bodem van Mars, die in overvloed aanwezig zijn op basis van de metingen die door onze ruimtesondes zijn gedaan! De zelfbewuste ruimtehabitat zou in staat zijn om de benodigde energie te oogsten met behulp van elke trillingsbron daar - laten we zeggen wind. Tegelijkertijd verzamelen deze structuren informatie over de werkomgeving en controleren ze zelf hun toestand. Dit unieke zelfgevoelige en zelfcontrolerende vermogen is de reden waarom we er sterk van overtuigd zijn dat de zelfbewuste materialen de basis zullen leggen voor toekomstige woonstructuren. We zijn al begonnen met het werken aan verschillende aspecten van onze technologie voor toepassingen voor ruimteverkenning!

Tech Briefs :Hoeveel stroom wordt opgewekt en hoe wordt die stroom opgewekt? (Is het voldoende vermogen om applicaties te ondersteunen?)

Prof. Amir Alavi :Onze zelfbewuste materiaalsystemen erven van nature de uitstekende eigenschappen van de tribo-elektrische nanogeneratoren. Tribo-elektrische nanogeneratoren hebben een significant hoge vermogensdichtheid laten zien (>300 W/m2). Hetzelfde zou gelden voor zelfbewuste materialen. Voorlopig richten we ons op het oogsten van energie met een laag vermogen voor integreerbare systemen, maar dergelijke materiaalsystemen kunnen op grote schaal honderden watts aan vermogen benutten.

Tech Briefs :Hoe ziet het metamateriaal eruit? Kun je ons helpen het en zijn componenten te visualiseren? Is het sterk? Hoe voelt het?

Prof. Amir Alavi :Een zelfbewust metamateriaal is een kunstmatig composietmateriaal dat is samengesteld uit verschillende lagen geleidende en diëlektrische lagen die op een periodieke manier zijn georganiseerd. Het materiaal is zo ontworpen dat er onder druk contactelektrificatie optreedt tussen de geleidende en diëlektrische lagen, waardoor een elektrische lading ontstaat die informatie over de toestand van het materiaal doorgeeft.

De geleidende en diëlektrische lagen in dit composietsysteem kunnen worden gekozen uit een breed scala aan organische en anorganische materialen uit de tribo-elektrische serie.

Het materiaalontwerp omvat klikkende segmenten die een zelfherstellend gedrag bieden onder belasting. Dit zelfherstellende mechanisme helpt bij het creëren van contactscheidingscycli en daarmee contactelektrificatie. Dit zal een statisch elektrisch veld vormen en een potentiaalverschil tussen de geleidende lagen. De elektrische uitgangssignalen die worden gegenereerd als gevolg van contactelektrificatie kunnen worden gebruikt voor actieve detectie van de externe mechanische excitatie die op de constructie wordt toegepast. Aan de andere kant kan de opgewekte elektrische energie worden geoogst en opgeslagen om sensoren en elektronica te versterken.

Meer geavanceerde materialen over technische briefings

Een 'levend materiaal' van microalgen biedt nieuwe ideeën, van energie tot mode.

Een superdun element biedt 'positief' potentieel voor transparante elektronica.

Ga voor het laatste nieuws naar onze Materialen-hub

Tech Briefs :Beperken de eigenschappen van het materiaal de mogelijke toepassingen?

Prof. Amir Alavi :Er is een breed scala aan materialen die kunnen worden gebruikt voor het vervaardigen van de composietlagen. Dit concept is de samensmelting van metamateriaal en energieoogstconcepten. Het mooie van metamaterialen is dat het kunstmatige structuren zijn die gebaseerd zijn op rationeel geometrisch ontwerp en niet op de chemische samenstelling van het materiaal. U kunt het ontwerp dus afstemmen om bijna elke gewenste mechanische prestatie te bereiken. De enige uitdaging voor ons is dat we verschillende ontwerp- en materiaalgerelateerde parameters moeten optimaliseren in een zelfbewuste materiaalmatrix van composiet. We zijn van plan om hiervoor te zorgen met behulp van geavanceerde rekenmodellen.

Tech Briefs :Kun je me in een applicatie brengen? Hoe zou bijvoorbeeld een "zelfbewuste" stent werken?

Prof. Amir Alavi :Elk jaar worden er miljoenen cardiovasculaire stents geïmplanteerd. De aanwezigheid van een stent in een slagader kan leiden tot overmatige groei van arterieel weefsel dat vernauwing in de stent kan veroorzaken. Deze complicatie, bekend als restenose in de stent, kan oplopen tot 50% bij patiënten met een stent. Er is momenteel grote behoefte aan een snelle, niet-invasieve en gemakkelijk toegankelijke methode om in-stent restenose te detecteren. Een zelfgevoelige, biocompatibele en niet-toxische zelfbewuste stent kan mogelijk worden ingezet voor continue monitoring van lokale hemodynamische veranderingen bij weefselovergroei en in-stent restenose. Merk op dat elke vernauwing als gevolg van in-stent restenose het signaal zal veranderen dat wordt gegenereerd door de zelfbewuste stent.

Bekijk ook deze slimme interbody fusiekooi voor het monitoren van spinale fusie:

Interbody fusion kooien worden veel gebruikt in de orthopedie. Onze zelfbewuste fusiekooi kan gedetailleerde informatie geven over de toestand van de wervelkolom tijdens het genezingsproces. Normaal gesproken doen mensen dit met behulp van beeldvormende methoden, zoals röntgenfoto's of CT-scans, die niet alleen onnauwkeurig maar ook kostbaar zijn en de patiënt blootstellen aan aanzienlijke straling.

Dit zijn echter allemaal proof-of-concept prototypes en we zoeken nu financiering voor klinische vertaling.

Tech Briefs :Afgezien van medische toepassingen, hoe zou dit metamateriaal werken voor zoiets als een brug?

Prof. Amir Alavi :U kunt eventuele schade detecteren door de veranderingen van de spanningssignaalpatronen te volgen. Scheuren veranderen bijvoorbeeld de spanningspatronen en spanningsconcentratie die kunnen worden opgepikt door een zelfbewust brugdek. Eventuele storingen kunnen het signaal mogelijk verschuiven van een basislijn.

Tech Briefs :Waar werk je nu aan?

Prof. Amir Alavi :Je hebt waarschijnlijk de enorme toepassing van deze technologie opgemerkt. Het hele concept staat nog in de kinderschoenen en er valt nog veel te ontdekken. We moeten eerst meer geld binnenhalen om verschillende mechanische en elektrische aspecten van deze materiële systemen te bestuderen. De langetermijnprestaties van deze apparaten moeten ook worden bestudeerd. Hoewel we veel te doen hebben op biomedisch en civieltechnisch gebied, breiden we ons onderzoek ook uit naar de ruimteverkenningstoepassingen van deze technologie.

Wat denk je? Deel uw vragen en opmerkingen hieronder.