Zelf-aangedreven sensormateriaal monitort eigen structurele gezondheid

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

Het zelf-aangedreven metamateriaal-systeem is, in feite, zijn eigen sensor, die belangrijke informatie over de druk en spanningen op zijn structuur opneemt en doorgeeft. De mogelijkheid ondersteunt een brede reeks sensing- en monitoringtoepassingen, volgens Amir Alavi, assistent professor burgerlijke en milieutechniek en bio-engineering, die het iSMaRT Lab leidt.

Het onderzoek van het team werd recent gepubliceerd in Nano Energy .

"De zelf-bewuste metamateriaal-systemen die we vonden, kunnen deze kenmerken bieden door geavanceerde metamateriaal- en energie-oogsttechnologieën op multischaal te fuseren, of het nu een medische stent, schokdemper, of een vliegtuigvleugel is," zei Prof. Alavi .

Bestaande zelf-zendende materialen zijn composieten die vertrouwen op verschillende vormen van koolstofvezel als sensormodules. De iSMaRT-benadering, daarentegen, vereist druk.

Met druk treedt contact-elektrificatie op tussen de geleidende en diëlektrische lagen van het materiaal, wat een elektrische lading creëert die informatie over de staat van het materiaal doorgeeft. De gegenereerde stroom door het ingebouwde tribo-elektrische nanogenerator-mechanisme elimineert de behoefte aan een aparte stroomvoorziening — een doorbraak volgens de uitvinders.

"We geloven dat deze uitvinding een game-changer is in metamateriaalwetenschap waar multifunctionaliteit nu veel aandacht krijgt," zei Kaveh Barri, hoofdauteur en doctoraalstudent in Alavi's lab . "Terwijl een substantieel deel van de huidige inspanningen in dit gebied slechts is gegaan in het verkennen van nieuwe mechanische eigenschappen, gaan we een stap verder door revolutionaire zelf-ladende en zelf-zendende mechanismen in het weefsel van materiaalsystemen te introduceren."

De onderzoekers hebben meerdere prototypedesigns gecreëerd voor een verscheidenheid aan burgerlijke, luchtvaart- en biomedische engineering-toepassingen, van hartstents, tot bruggen, tot zelfs de ruimte.

"Stel je voor hoe we dit concept zelfs kunnen aanpassen om structureel-schone zelf-aangedreven 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 voor het materiaal — en hoe dicht we bij zelf-bewuste ruimtestructuren zijn.

Tech Briefs: Welke applicaties zouden het meest gebaat zijn bij een materiaal 'zelf-bewustzijn?'

Prof. Amir Alavi: Ik ben ervan overtuigd dat de zelf-bewuste materiaal-technologie een breed scala aan toepassingen zal hebben in de velden luchtvaart, biomedische apparaten, burgerlijke infrastructuur, en bouw. We hebben al hun mogelijkheden verkend in de luchtvaart- en biomedische arena via prototyping zelf-aangedreven en zelf-zendende bloedvatstents en schokdempers.

De meest directe en nuttige toepassing van deze technologie is voor het ontwerpen van een nieuwe generatie biomedische apparaten. Onder dit concept kunt u de medische implantaten omzetten in sensoren en nanogeneratoren zonder enige elektronica te hoeven incorporeren. De schoonheid van het concept is dat het mensen genoeg bio-compatibele en zelfs bio-resorbeerbare materiaalopties geeft om hun implanteerbare systemen te fabriceren en de mechanische eigenschappen van de implantaten simpelweg af te stemmen voor een gewenste prestatie.

Tech Briefs: Ziet u andere velden waar deze "zelf-bewuste" technologie nuttig zal zijn?

Prof. Amir Alavi: Natuurlijk zal de technologie massive toepassingen hebben in burgerlijke infrastructuur en bouw omdat u het kunt gebruiken om slimme structuren te ontwerpen die licht in massa, laag in kosten, hoog schaalbaar, en mechanisch afstelbaar zijn. In de burgerlijke techniek hebben we te maken met mega-structuren waar u tonnen sensoren nodig hebt om hun toestand en gezondheid te monitoren. Deze dichte sensornetwerken zijn moeilijk te installeren en onderhouden in grootschalige structuren. Stel u nu een zelf-bewuste mega-structuur (zoals een brug) voor waar de structuur zelf een sensormedium is door een rationeel architectonisch ontwerp en keuze van bestanddelen. U kunt simpelweg draden aan elk punt op de structuur bevestigen om informatie over de structurele toestand te verzamelen. Dit zou een paradigma-shift zijn in gedistribueerde sensing-technologie, wat met name belangrijk is voor continue monitoring van onze verouderende infrastructuur!

Tech Briefs: Welke applicatie vindt u het meest opwindend?

Prof. Amir Alavi: De meest opwindende toepassing van de technologie is ruimtevaart, waar we moeten vertrouwen op inheemse materialen om ruimtehabitats te bouwen! U kunt deze technologie aanpassen om een eerste van zijn soort, zelf-onderhouden habitat op Mars en daarbuiten te creëren. Ik heb dit als een schaalbaar metamateriaal-structuur voor me die sterk genoeg is om een harde omgeving te weerstaan en die puur gebouwd is met materialen in Marsgrond, die overvloedig zijn gebaseerd op metingen genomen door onze ruimtesonden! Het zelf-bewuste ruimtehabitat zou in staat zijn de benodigde energie te oogsten met elke bron van trilling daar — zeg, wind. Tegelijkertijd zullen deze structuren informatie verzamelen over de werkende omgeving en hun toestand zelf monitoren. Deze unieke zelf-zendende en zelf-monitorerende capaciteit is waarom we sterk geloven dat de zelf-bewuste materialen de fundamenten zullen leggen voor toekomstige levende structuren. We hebben al begonnen met het werken aan diverse aspecten van onze technologie voor ruimtevaarttoepassingen!

Tech Briefs: Hoeveel stroom wordt gegenereerd, en hoe wordt die gegenereerd? (Is het genoeg stroom voor toepassingen?)

Prof. Amir Alavi: Onze zelf-bewuste materiaalsystemen erven van nature de uitstekende kenmerken van de tribo-elektrische nanogeneratoren. Tribo-elektrische nanogeneratoren hebben een significant hoge stroomdichtheid (>300 W/m2) getoond. Hetzelfde zou gelden voor zelf-bewuste materialen. Voor nu zijn we gericht op laag-vermogen energie-oogst voor in te bedden systemen, maar dergelijke materiaalsystemen kunnen honderden watts vermogen op grote schaal oogsten.

Tech Briefs: Wat ziet het metamateriaal eruit? Kunt u ons helpen het te visualiseren, en zijn componenten? Is het sterk? Hoe voelt het?

Prof. Amir Alavi: Een zelf-bewust metamateriaal is een kunstmatig composietmateriaal samengesteld uit verschillende lagen geleidende en diëlektrische materialen die periodiek georganiseerd zijn. Het materiaal is ontworpen zodat, onder druk, contact-elektrificatie optreedt tussen de geleidende en diëlektrische lagen, wat een elektrische lading creëert die informatie over de toestand van het materiaal doorgeeft.

De geleidende en diëlektrische lagen in dit composietsysteem kunnen gekozen worden uit een breed bereik van organische en anorganische materialen uit de tribo-elektrische reeks.

Het materiaalontwerp omvat insnappende segmenten die een zelf-herstellend gedrag onder belasting bieden. Dit zelf-herstellende mechanisme helpt contact-scheidingscycli te creëren en, dienovereenkomstig, contact-elektrificatie. Dit vormt een statisch elektrisch veld en een potentiaalverschil tussen de geleidende lagen. De elektrische uitgangssignalen gegenereerd door contact-elektrificatie kunnen gebruikt worden voor actieve sensing van de externe mechanische excitatie toegepast op de structuur. Aan de andere kant kan de gegenereerde elektrische energie geoogst en opgeslagen worden om sensoren en elektronica te voeden.

Meer Geavanceerde Materialen op Tech Briefs

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

Een super-dun element biedt 'positief' potentieel voor transparante elektronica.

Voor het laatste nieuws, bezoek onze Materials hub

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

Prof. Amir Alavi: Er is een breed bereik aan materialen dat gebruikt kan worden voor het fabriceren van de composietlagen. Dit concept is de fusie van metamateriaal- en energie-oogstconcepten. De schoonheid van metamaterialen is dat ze kunstmatige structuren zijn gebaseerd op rationeel geometrisch ontwerp en niet op de chemische samenstelling van het materiaal. Dus kunt u het ontwerp afstemmen om bijna elke gewenste mechanische prestatie te bereiken. De enigste uitdaging voor ons is dat we verschillende ontwerp- en materiaalgerelateerde parameters in een composiet zelf-bewuste materiaalmatrix moeten optimaliseren. We plannen om dit op te lossen met geavanceerde computationele modellen.

Tech Briefs: Kunt u me in een applicatie meenemen? Hoe zou, zeg, een "zelf-bewuste" stent werken?

Prof. Amir Alavi: Jaarlijks worden miljoenen cardiovasculaire stents geïmplanteerd. De aanwezigheid van een stent in een arterie kan leiden tot overmatige groei van arterieel weefsel dat hervernauwing binnen de stent kan veroorzaken. Deze complicatie, bekend als in-stent restenose, kan oplopen tot 50% bij gestente patiënten. Er is momenteel een ernstige behoefte aan een snelle, non-invasieve, en gemakkelijk toegankelijke methode om in-stent restenose te detecteren. Een zelf-zendende, bio-compatibele, en niet-toxische zelf-bewuste stent kan potentiëel ingezet worden voor continue monitoring van lokale hemodynamische veranderingen bij weefselovergroei en in-stent restenose. Let op dat elke hervernauwing door in-stent restenose het signaal gegenereerd door de zelf-bewuste stent zal veranderen.

Bekijk ook deze slimme interbody-fusiekooi voor wervelkolomfusie-monitoring:

Interbody-fusiekooien worden wijd gebruikt in orthopedie. Onze zelf-bewuste fusiekooi kan gedetailleerde informatie geven over de toestand van de wervelkolom tijdens het helingsproces. Normaal doen mensen dit met imaging-methoden, zoals Röntgen of CT-scans, die niet alleen onnauwkeurig zijn maar ook duur en de patiënt blootstellen aan significante straling.

Echter, dit zijn alle proof-of-concept prototypes en we zoeken nu financiering voor klinische vertaling.

Tech Briefs: Naast medische toepassingen, hoe zou dit metamateriaal werken voor iets als een brug?

Prof. Amir Alavi: U kunt eventuele schade detecteren door de veranderingen van de spanningssignaalpatronen te volgen. Bijvoorbeeld, scheuren veranderen de rekpatronen en spanningsconcentratie die opgepikt kunnen worden door een zelf-bewust brugdek. Elke falen kunnen potentiëel het signaal van een baseline verschuiven.

Tech Briefs: Waar werkt u aan nu?

Prof. Amir Alavi: U hebt waarschijnlijk de enorme toepassing van deze technologie opgemerkt. Het hele concept is nog in de kinderschoenen, en er is nog veel te verkennen. We moeten eerst meer financiering veiligstellen om diverse mechanische en elektrische aspecten van deze materiaalsystemen te bestuderen. De lange-termijnprestaties van deze apparaten moeten ook bestudeerd worden. Terwijl we nog veel te doen hebben in biomedische en burgerlijke engineering-domeinen, breiden we ons onderzoek ook uit naar de ruimtevaarttoepassingen van deze technologie.

Wat denkt u? Deel uw vragen en opmerkingen hieronder.