Selbstversorgendes Sensormaterial überwacht seine eigene strukturelle Gesundheit

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

Das selbstversorgende Metamaterial-System ist im Grunde sein eigener Sensor, der wichtige Informationen über Druck und Spannungen auf seiner Struktur aufzeichnet und weiterleitet. Diese Fähigkeit unterstützt eine breite Palette von Sensor- und Überwachungsanwendungen, so Amir Alavi, Assistant Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen und Bioengineering, der das iSMaRT Lab leitet.

Die Forschung des Teams wurde kürzlich in Nano Energy  veröffentlicht.

„Die von uns erfundenen selbstbewussten Metamaterial-Systeme können diese Eigenschaften bieten, indem sie fortschrittliche Metamaterial- und Energieernte-Technologien auf Mehrskalenebene verschmelzen, sei es ein medizinischer Stent, Stoßdämpfer oder ein Flugzeugflügel“, sagte Prof. Alavi .

Bestehende selbstsensorische Materialien sind Verbundwerkstoffe, die auf verschiedenen Formen von Kohlenstofffasern als Sensormodule basieren. Der iSMaRT-Ansatz hingegen erfordert Druck.

Durch Druck tritt Kontaktelektrifizierung zwischen den leitenden und dielektrischen Schichten des Materials auf, wodurch eine elektrische Ladung entsteht, die Informationen über den Zustand des Materials weiterleitet. Die vom eingebauten triboelektrischen Nanogenerator-Mechanismus erzeugte Energie macht eine separate Stromquelle überflüssig – ein Durchbruch laut den Erfindern.

„Wir glauben, dass diese Erfindung ein Gamechanger in der Metamaterialwissenschaft ist, wo Multifunktionalität zunehmend an Bedeutung gewinnt“, sagte Kaveh Barri, Erstautor und Doktorand in Alavis Labor . „Während ein erheblicher Teil der aktuellen Bemühungen in diesem Bereich lediglich in die Erforschung neuer mechanischer Eigenschaften floss, gehen wir einen Schritt weiter, indem wir revolutionäre selbstladende und selbstsensorische Mechanismen in das Gewebe von Materialsystemen einführen.“

Die Forscher haben mehrere Prototyp-Designs 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 stabile, selbstversorgende Weltraumhabitate ausschließlich aus einheimischen Materialien auf dem Mars und darüber hinaus zu bauen“, sagte Alavi.

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

Tech Briefs: Welche Anwendungen könnten am meisten von der „Selbstbewusstheit“ 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 ihre Fähigkeiten bereits in der Luft- und Raumfahrt und im biomedizinischen Bereich durch Prototyping selbstversorgender und selbstsensorischer Blutgefäßstents und Stoßdämpfer erforscht.

Die unmittelbarste und vorteilhafteste Anwendung dieser Technologie ist das Design einer neuen Generation biomedizinischer Geräte. Unter diesem Konzept können Sie medizinische Implantate in Sensoren und Nanogeneratoren verwandeln, ohne Elektronik integrieren zu müssen. Die Schönheit des Konzepts ist, dass es den Menschen viele biokompatible und sogar bioresorbierbare Materialoptionen bietet, um ihre implantierbaren Systeme herzustellen und einfach die mechanischen Eigenschaften der Implantate für eine gewünschte Leistung abzustimmen.

Tech Briefs: Sehen Sie noch 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, weil man damit intelligente Strukturen entwerfen kann, die leicht, kostengünstig, hochskalierbar und mechanisch abstimmbar sind. Im Bauwesen haben wir es meist mit Mega-Strukturen zu tun, wo man Tonnen von Sensoren benötigt, um ihren Zustand und ihre Gesundheit zu überwachen. Diese dichten Sensornetzwerke sind in großen Strukturen schwer zu installieren und zu warten. Stellen Sie sich nun eine selbstbewusste Mega-Struktur (wie eine Brücke) vor, bei der die Struktur selbst durch ein rationales architektonisches Design und die Wahl der Bestandteile zum Sensormedium wird. Sie können einfach Drähte an jedem Punkt der Struktur anbringen, um Informationen über ihren strukturellen Zustand zu sammeln. Dies wäre ein Paradigmenwechsel in der verteilten Sensortechnologie, was besonders wichtig für die kontinuierliche Überwachung unserer alternden Infrastruktur ist!

Tech Briefs: Welche Anwendung begeistert Sie am meisten?

Prof. Amir Alavi: Die aufregendste Anwendung der Technologie ist die Weltraumforschung, wo wir auf einheimische Materialien angewiesen sind, um Weltraumhabitate zu bauen! Sie können diese Technologie anpassen, um ein erstes seiner Art, selbsttragendes Habitat auf dem Mars und darüber hinaus zu schaffen. Ich stelle mir dies als skalierbare Metamaterialstruktur vor, die stark genug ist, um einer rauen Umgebung standzuhalten und lediglich aus Materialien im Marsboden gebaut wird, die laut Messungen unserer Sonden reichlich vorhanden sind! Das selbstbewusste Weltraumhabitat wäre in der Lage, die benötigte Energie aus jeder Vibrationsquelle dort zu ernten – sagen wir, Wind. Gleichzeitig würden diese Strukturen Informationen über die Betriebsumgebung sammeln und ihren Zustand selbst überwachen. Diese einzigartige Selbstsensorik und Selbstüberwachung ist der Grund, warum wir fest glauben, dass selbstbewusste Materialien das Fundament für zukünftige Lebensstrukturen bilden werden. Wir haben bereits begonnen, an verschiedenen Aspekten unserer Technologie für Weltraumforschungsanwendungen zu arbeiten!

Tech Briefs: Wie viel Leistung wird erzeugt, und wie wird diese erzeugt? (Reicht sie für Anwendungen?)

Prof. Amir Alavi: Unsere selbstbewussten Materialsysteme erben von Natur aus die herausragenden Eigenschaften triboelektrischer Nanogeneratoren. Triboelektrische Nanogeneratoren haben eine signifikant hohe Leistungsdichte (>300 W/m²) gezeigt. Dasselbe wäre für selbstbewusste Materialien wahr. Für den Moment konzentrieren wir uns auf Low-Power-Energieernte für einbettbare Systeme, aber solche Materialsysteme können bei großen Skalen Hunderte von Watt Leistung nutzen.

Tech Briefs: 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 künstlicher Verbundwerkstoff, der aus verschiedenen Schichten leitender und dielektrischer Materialien besteht, die periodisch angeordnet sind. Das Material ist so konzipiert, dass unter Druck Kontaktelektrifizierung zwischen seinen leitenden und dielektrischen Schichten auftritt, wodurch eine elektrische Ladung entsteht, die Informationen über den Zustand des Materials weiterleitet.

Die leitenden und dielektrischen Schichten in diesem Verbundsystem können aus einer breiten Palette organischer und anorganischer Materialien der triboelektrischen Reihe gewählt werden.

Das Materialdesign umfasst schnappende Segmente, die ein selbstrückstellendes Verhalten unter Belastung bieten. Dieser Selbstrückstellmechanismus hilft, Kontakt-Trenn-Zyklen und entsprechend Kontaktelektrifizierung zu erzeugen. Dies bildet ein statisches elektrisches Feld und eine Potentialdifferenz zwischen den leitenden Schichten. Die durch Kontaktelektrifizierung erzeugten elektrischen Ausgangssignale können zur aktiven Sensorik der externen mechanischen Anregung, die auf die Struktur einwirkt, verwendet werden. Andererseits kann die erzeugte elektrische Energie geerntet und gespeichert werden, um Sensoren und Elektronik zu betreiben.

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Tech Briefs: Begrenzen die Eigenschaften des Materials die möglichen Anwendungen?

Prof. Amir Alavi: Es gibt eine breite Palette von Materialien, die für die Herstellung der Verbundschichten verwendet werden können. Dieses Konzept ist die Fusion von Metamaterial- und Energieernte-Konzepten. Die Schönheit von Metamaterialien ist, dass es künstliche Strukturen sind, die auf rationalem geometrischem Design und nicht auf chemischer Materialzusammensetzung basieren. So können Sie das Design abstimmen, um fast jede gewünschte mechanische Leistung zu erreichen. Die einzige Herausforderung für uns ist, dass wir verschiedene Design- und materialbezogene Parameter in einer Verbund-Selbstbewusst-Materialmatrix optimieren müssen. Wir planen, dies mithilfe fortschrittlicher Computermodelle zu bewältigen.

Tech Briefs: Können Sie mich in eine Anwendung hineinführen? Wie würde beispielsweise ein „selbstbewusster“ Stent funktionieren?

Prof. Amir Alavi: Jährlich werden Millionen kardiovaskulärer Stents implantiert. Die Präsenz eines Stents in einer Arterie kann zu übermäßigem Wachstum von Arteriengewebe führen, das zu einer erneuten Verengung innerhalb des Stents führen kann. Diese Komplikation, bekannt als In-Stent-Restenose, kann bei stentbehandelten Patienten bis zu 50 % erreichen. Derzeit besteht ein ernsthafter Bedarf an einer schnellen, nicht-invasiven und leicht zugänglichen Methode zur Erkennung von In-Stent-Restenose. Ein selbstsensorischer, biokompatibler und ungiftiger selbstbewusster Stent könnte potenziell für die kontinuierliche Überwachung lokaler hämodynamischer Veränderungen bei Gewebeüberwucherung und In-Stent-Restenose eingesetzt werden. Beachten Sie, dass jede Verengung aufgrund von In-Stent-Restenose das Signal ändert, das vom selbstbewussten Stent erzeugt wird.

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Interbody-Fusionskäfige werden in der Orthopädie weit eingesetzt. Unser selbstbewusster Fusionskäfig kann detaillierte Informationen über den Zustand der Wirbelsäule während des Heilungsprozesses liefern. Normalerweise macht man das mit Bildgebungsverfahren wie Röntgen oder CT, die nicht nur ungenau, sondern auch kostspielig sind und den Patienten signifikanter Strahlung aussetzen.

Dies sind jedoch alles Proof-of-Concept-Prototypen, und wir suchen jetzt Finanzierung für die klinische Translation.

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

Prof. Amir Alavi: Sie können Schäden erkennen, indem Sie Änderungen der Spannungssignalmuster verfolgen. Beispielsweise ändern Risse die Dehnungsmuster und Spannungskonzentrationen, die von einem selbstbewussten Brückendeck erfasst werden können. Jegliche Ausfälle könnten das Signal potenziell von einer Basislinie abweichen lassen.

Tech Briefs: Woran arbeiten Sie als Nächstes?

Prof. Amir Alavi: Sie haben wahrscheinlich den riesigen Anwendungsbereich dieser Technologie bemerkt. Das gesamte Konzept befindet sich noch in den Kinderschuhen, und es gibt noch viel zu erforschen. Wir müssen zunächst mehr Finanzierung sichern, um verschiedene mechanische und elektrische Aspekte dieser Materialsysteme zu untersuchen. Die Langzeitleistung dieser Geräte muss ebenfalls untersucht werden. Während wir in den biomedizinischen und bauingenieurtechnischen Domänen noch viel zu tun haben, erweitern wir unsere Forschung auch auf Weltraumforschungsanwendungen dieser Technologie.

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