Selbstbewusstes Erfassen materieller Kräfte selbst

Das Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) Lab an der University of Pittsburgh Swanson School of Engineering hat eine neue Klasse selbstbewusster Materialien entworfen.

Das autarke Metamaterialsystem ist praktisch sein eigener Sensor, der wichtige Informationen über den Druck und die Belastungen seiner Struktur aufzeichnet und weiterleitet. Laut Amir Alavi, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen und Bioingenieurwesen, der das iSMaRT Lab leitet, unterstützt die Funktion eine breite Palette von Sensor- und Überwachungsanwendungen.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden kürzlich in Nano Energy veröffentlicht .

„Die selbstbewussten Metamaterialsysteme, die wir erfunden haben, können diese Eigenschaften bieten, indem sie fortschrittliche Metamaterial- und Energy-Harvesting-Technologien in mehreren Maßstäben verschmelzen, sei es ein medizinischer Stent, ein Stoßdämpfer oder ein Flugzeugflügel“, sagte Prof. Alavi .

Vorhandene selbsterfassende Materialien sind Verbundwerkstoffe, die auf verschiedenen Formen von Kohlenstofffasern als Sensormodulen beruhen. Der iSMaRT-Ansatz erfordert dagegen Druck.

Durch Druck entsteht zwischen den leitenden und dielektrischen Schichten des Materials eine Kontaktelektrisierung, wodurch eine elektrische Ladung entsteht, die Informationen über den Zustand des Materials weiterleitet. Die durch den integrierten triboelektrischen Nanogeneratormechanismus der Technologie erzeugte Energie macht eine separate Stromquelle überflüssig – ein Durchbruch, so die Erfinder.

„Wir glauben, dass diese Erfindung einen Wendepunkt in der Metamaterialwissenschaft darstellt, in der Multifunktionalität jetzt stark an Zugkraft gewinnt“, sagte Kaveh Barri, Hauptautor und Doktorand in Alavis Labor . „Während ein wesentlicher Teil der aktuellen Bemühungen in diesem Bereich lediglich in die Erforschung neuer mechanischer Eigenschaften gesteckt wurde, gehen wir noch einen Schritt weiter, indem wir revolutionäre Selbstaufladungs- und Selbsterfassungsmechanismen in das Gefüge von Materialsystemen einführen.“

Die Forscher haben mehrere Prototypdesigns für eine Vielzahl von Anwendungen im Bauwesen, in der Luft- und Raumfahrt und in der Biomedizintechnik erstellt, von Herzstents über Brücken bis hin zum Weltraum.

„Stellen Sie sich vor, wie wir dieses Konzept sogar anpassen können, um strukturell solide selbstversorgende Weltraumlebensräume zu bauen, die nur einheimische Materialien auf dem Mars und darüber hinaus verwenden“, sagte Alavi.

In einem Q&A mit Tech Briefs Unten erklärt Prof. Alavi mehr über mögliche Anwendungen für das Material – und wie nahe wir selbstbewussten Weltraumstrukturen sind.

Technische Informationen :Welche Anwendungen könnten am meisten vom „Selbstbewusstsein“ eines Materials profitieren?

Prof. Amir Alavi :Ich bin zuversichtlich, dass die selbstbewusste Materialtechnologie ein breites Anwendungsspektrum in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, biomedizinische Geräte, zivile Infrastruktur und Bauwesen haben wird. Wir haben bereits ihre Fähigkeiten in der Luft- und Raumfahrt und im biomedizinischen Bereich durch Prototyping von selbstantreibenden und selbstmessenden Blutgefäßstents und Stoßdämpfern untersucht.

Die unmittelbarste und vorteilhafteste Anwendung dieser Technologie ist die Entwicklung einer neuen Generation von biomedizinischen Geräten. Unter diesem Konzept können Sie die medizinischen Implantate in Sensoren und Nanogeneratoren umwandeln, ohne eine Elektronik einbauen zu müssen. Das Schöne an dem Konzept ist, dass es den Menschen viele biokompatible und sogar bioresorbierbare Materialoptionen bietet, um ihre implantierbaren Systeme herzustellen und die mechanischen Eigenschaften der Implantate einfach auf eine gewünschte Leistung abzustimmen.

Technische Informationen :Sehen Sie andere Bereiche, in denen diese "selbstbewusste" Technologie nützlich sein wird?

Prof. Amir Alavi :Offensichtlich wird die Technologie massive Anwendungen in der zivilen Infrastruktur und im Bauwesen haben, da man damit intelligente Strukturen entwerfen kann, die leicht, kostengünstig, hochgradig skalierbar und mechanisch einstellbar sind. Im Tiefbau haben wir es normalerweise mit Megastrukturen zu tun, bei denen Sie Tonnen von Sensoren benötigen, um deren Zustand und Gesundheit zu überwachen. Diese dichten Sensornetzwerke sind in großen Strukturen schwierig zu installieren und zu warten. Nehmen wir nun eine selbstbewusste Megastruktur (wie eine Brücke) an, bei der die Struktur selbst ein Wahrnehmungsmedium ist, durch ein rationales architektonisches Design und die Auswahl der Bestandteile. Sie können einfach Drähte an jedem Punkt der Struktur anbringen, um Informationen über den strukturellen Zustand zu sammeln. Dies wäre ein Paradigmenwechsel in der verteilten Sensortechnologie, die besonders wichtig für die kontinuierliche Überwachung unserer alternden Infrastruktur ist!

Technische Informationen :Welche Anwendung begeistert Sie am meisten?

Prof. Amir Alavi :Die aufregendste Anwendung der Technologie ist die Weltraumforschung, bei der wir uns auf einheimische Materialien verlassen müssen, um Weltraumlebensräume zu bauen! Sie können diese Technologie anpassen, um einen einzigartigen, sich selbst erhaltenden Lebensraum auf dem Mars und darüber hinaus zu schaffen. Ich stelle mir dies als eine skalierbare Metamaterialstruktur vor, die stark genug ist, um einer rauen Umgebung standzuhalten, und sie wird lediglich aus Materialien im Marsboden gebaut, die basierend auf den Messungen unserer Raumsonden reichlich vorhanden sind! Der selbstbewusste Weltraum-Habitat wäre in der Lage, die erforderliche Energie mit jeder dortigen Vibrationsquelle zu ernten – sagen wir, Wind. Gleichzeitig sammeln diese Strukturen Informationen über die Betriebsumgebung und überwachen ihren Zustand selbst. Diese einzigartige Selbsterkennungs- und Selbstüberwachungsfähigkeit ist der Grund, warum wir fest davon überzeugt sind, dass selbstbewusste Materialien die Grundlage für zukünftige Wohnstrukturen bilden werden. Wir haben bereits mit der Arbeit an verschiedenen Aspekten unserer Technologie für Weltraumforschungsanwendungen begonnen!

Technische Informationen :Wie viel Strom wird erzeugt und wie wird dieser Strom erzeugt? (Ist die Leistung ausreichend, um Anwendungen zu unterstützen?)

Prof. Amir Alavi :Unsere selbstbewussten Materialsysteme erben natürlich die herausragenden Eigenschaften der triboelektrischen Nanogeneratoren. Triboelektrische Nanogeneratoren haben eine signifikant hohe Leistungsdichte (>300 W/m2) gezeigt. Dasselbe gilt für selbstbewusste Materialien. Im Moment konzentrieren wir uns auf die Energiegewinnung mit geringem Stromverbrauch für einbettbare Systeme, aber solche Materialsysteme können Hunderte von Watt Leistung in großem Umfang nutzen.

Technische Informationen :Wie sieht das Metamaterial aus? Können Sie uns helfen, es und seine Komponenten zu visualisieren? Ist es stark? Wie fühlt es sich an?

Prof. Amir Alavi :Ein selbstbewusstes Metamaterial ist ein künstliches Verbundmaterial, das aus verschiedenen Schichten leitfähiger und dielektrischer Schichten besteht, die periodisch organisiert sind. Das Material ist so konzipiert, dass unter Druck eine Kontaktelektrisierung zwischen seinen leitenden und dielektrischen Schichten auftritt, wodurch eine elektrische Ladung entsteht, die Informationen über den Zustand des Materials weiterleitet.

Die leitfähigen und dielektrischen Schichten in diesem Verbundsystem können aus einer breiten Palette von organischen und anorganischen Materialien aus der triboelektrischen Reihe ausgewählt werden.

Das Materialdesign umfasst Schnappsegmente, die unter Belastung ein selbsterholendes Verhalten bieten. Dieser selbsterholende Mechanismus trägt dazu bei, Kontakttrennungszyklen und dementsprechend Kontaktelektrifizierung zu erzeugen. Dies bildet ein statisches elektrisches Feld und eine Potentialdifferenz zwischen den leitfähigen Schichten. Die aufgrund der Kontaktelektrifizierung erzeugten elektrischen Ausgangssignale können zum aktiven Erfassen der an die Struktur angelegten externen mechanischen Erregung verwendet werden. Andererseits kann die erzeugte elektrische Energie geerntet und gespeichert werden, um Sensoren und Elektronik zu stärken.

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Technische Informationen :Schränken die Eigenschaften des Materials die Anwendungsmöglichkeiten ein?

Prof. Amir Alavi :Es gibt eine breite Palette von Materialien, die zur Herstellung der Verbundschichten verwendet werden können. Dieses Konzept ist die Verschmelzung von Metamaterial- und Energy-Harvesting-Konzepten. Das Schöne an Metamaterialien ist, dass sie künstliche Strukturen sind, die auf rationalem geometrischem Design und nicht auf der chemischen Zusammensetzung des Materials basieren. So können Sie das Design so abstimmen, dass nahezu jede gewünschte mechanische Leistung erreicht wird. Die einzige Herausforderung für uns besteht darin, dass wir verschiedene design- und materialbezogene Parameter in einer zusammengesetzten selbstbewussten Materialmatrix optimieren müssen. Wir planen, dies mithilfe fortschrittlicher Computermodelle zu erledigen.

Technische Informationen :Können Sie mich in eine Anwendung bringen? Wie würde, sagen wir, ein „selbstbewusster“ Stent funktionieren?

Prof. Amir Alavi :Jedes Jahr werden Millionen von kardiovaskulären Stents implantiert. Das Vorhandensein eines Stents in einer Arterie kann zu einem übermäßigen Wachstum von arteriellem Gewebe führen, das eine erneute Verengung innerhalb des Stents verursachen kann. Diese als In-Stent-Restenose bekannte Komplikation kann bei Stent-Patienten bis zu 50 % erreichen. Derzeit besteht ein ernsthafter Bedarf an einem schnellen, nichtinvasiven und leicht zugänglichen Verfahren zum Nachweis von In-Stent-Restenose. Ein selbsterkennender, biokompatibler und ungiftiger Stent mit Selbstwahrnehmung kann möglicherweise zur kontinuierlichen Überwachung lokaler hämodynamischer Veränderungen bei Gewebeüberwucherung und In-Stent-Restenose eingesetzt werden. Beachten Sie, dass jede erneute Verengung aufgrund einer In-Stent-Restenose das vom selbstbewussten Stent erzeugte Signal verändert.

Sehen Sie sich auch diesen intelligenten Cage für die Wirbelkörperfusion zur Überwachung der Wirbelsäulenfusion an:

Zwischenkörper-Fusionskäfige werden in großem Umfang in der Orthopädie verwendet. Unser selbstbewusster Fusionskäfig kann detaillierte Informationen über den Zustand der Wirbelsäule während des Heilungsprozesses geben. Normalerweise werden dazu bildgebende Verfahren wie Röntgen- oder CT-Scans verwendet, die nicht nur ungenau, sondern auch kostspielig sind und den Patienten erheblicher Strahlung aussetzen.

Dies sind jedoch alles Proof-of-Concept-Prototypen, und wir suchen jetzt nach Mitteln für die klinische Übersetzung.

Technische Informationen :Abgesehen von medizinischen Anwendungen, wie würde dieses Metamaterial für etwas wie funktionieren eine Brücke?

Prof. Amir Alavi :Sie können eventuelle Schäden erkennen, indem Sie die Änderungen der Spannungssignalmuster verfolgen. Beispielsweise verändern Risse die Dehnungsmuster und Spannungskonzentrationen, die von einem selbstbewussten Brückendeck aufgenommen werden können. Jegliche Fehler könnten das Signal möglicherweise von einer Grundlinie verschieben.

Technische Informationen :Woran arbeitest du als nächstes?

Prof. Amir Alavi :Sie haben wahrscheinlich die enorme Anwendung dieser Technologie bemerkt. Das gesamte Konzept steckt noch in den Kinderschuhen und es gibt noch viel zu entdecken. Wir müssen zunächst mehr Mittel beschaffen, um verschiedene mechanische und elektrische Aspekte dieser Materialsysteme zu untersuchen. Die Langzeitleistung dieser Geräte muss ebenfalls untersucht werden. Während wir in den Bereichen Biomedizin und Bauingenieurwesen viel zu tun haben, weiten wir unsere Forschung auch auf die Weltraumforschungsanwendungen dieser Technologie aus.

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