智能结构监测和响应测试(ISMART)实验室美国匹兹堡大学斯旺森工程学院的研究人员设计了一种新型的具有自我意识的材料。

实际上,自动超材料系统是其自身的传感器,记录和中继有关其结构上的压力和应力的重要信息。据公民和环境工程和生物工程教授Amir Alavi(Amir Alavi),该能力支持广泛的感应和监测应用程序,并领导ISMART实验室。

团队的研究是最近发表在纳米能量

“我们发明的自我意识的超材料系统可以通过融合MultiScale的先进超材料和能量收集技术来提供这些特征,无论是医疗支架,减震器还是飞机翼,Alavi教授说

现有的自感知材料是依靠不同形式的碳纤维作为感知模块的复合材料。相比之下,iSMaRT的方法需要压力。

在压力作用下,材料的导电层和介电层之间发生接触带电,产生一个电荷来传递关于材料状态的信息。发明者称,该技术内置的摩擦电纳米发电机机制产生的能量无需单独的电源——这是一项突破。

“我们相信,这项发明将改变超材料科学的游戏规则,在超材料科学中,多功能正在获得很大的吸引力,”阿拉维斯实验室的Kaveh Barri说,领导作者和博士生.“虽然目前在这一领域的大部分努力仅仅是在探索新的机械性能,但我们正在进一步将革命性的自我充电和自我感知机制引入材料系统的结构中。”

研究人员为各种民用,航空航天和生物医学工程应用,从心脏支架到桥梁创造了多种原型设计,甚至是空间。

“想象一下,我们如何使这一概念适应这种概念,以在火星和超越的土着材料上使用结构 - 声音自我发电空间栖息地,”Alavi说。

在一个问答金宝搏官网下面,Alavi教授解释了更多关于这种材料的可能应用——以及我们离有自我意识的空间结构有多近。

金宝搏官网:哪些应用可以从材料的“自我意识”中受益最大?

阿米尔Alavi教授:我相信,自我感知材料技术将在航空航天、生物医学设备、民用基础设施和建筑等领域有广泛的应用。我们已经在航空航天和生物医学领域探索了它们的能力,通过制作自供电和自感应血管支架和减震器原型。

这种技术最直接和最有益的应用是设计新一代生物医学设备。在这个概念下,你可以将医疗植入物转换成传感器和纳米发电机,而不需要整合任何电子设备。这个概念的美妙之处就在于,它为人们提供了大量的生物兼容甚至生物可吸收的材料选择来制造他们的可植入系统,并简单地调整植入物的机械性能以达到预期的性能。

金宝搏官网你认为这种“自我意识”技术在其他领域会有用吗?

阿米尔Alavi教授:显然,该技术将在民事基础设施和施工中具有大量应用,因为您可以使用它来设计智能结构,以质量,低成本,高度可扩展和机械调谐。在土木工程中,我们通常正在处理大型结构,在那里您需要大量的传感器来监测其状况和健康。这些密集的传感器网络难以在大规模结构中安装和维护。现在假设一种自我意识的大型结构(如桥梁),在其中结构是通过理性建筑设计和组成材料选择的传感介质本身。您可以简单地将电线连接到结构上的任何点,以收集有关其结构状况的信息。这将是分布式传感技术的范式转变,这对于连续监测我们的老化基础设施尤为重要!

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一种来自iSMaRT实验室的新型超材料的可能应用:一种“自我意识”支架。(图片来源:Alavi)

金宝搏官网哪个申请让你最激动?

阿米尔Alavi教授该技术最令人兴奋的应用是太空探索,在那里我们必须依靠本土材料来建造太空栖息地!你可以利用这项技术在火星或其他地方创造一个史无前例的、自给自足的栖息地。我设想这是一种可伸缩的超材料结构,足以承受恶劣的环境,它仅仅是用火星土壤中的材料建造的,而根据我们的太空探测器的测量,火星土壤是丰富的!有自我意识的空间栖息地将能够利用那里的任何振动源——比如风——收集所需的能量。同时,这些结构将收集有关运行环境的信息,并对其状态进行自我监控。这种独特的自我感知和自我监控能力,是我们坚信自我感知材料将为未来的生活结构奠定基础的原因。我们已经开始在太空探索应用技术的各个方面进行工作!

金宝搏官网产生了多少能量,又是如何产生的?(它是否足够支持应用程序?)

阿米尔Alavi教授:我们的自我意识的材料系统自然地继承了摩擦纳米液体的突出特征。摩擦电纳米液显示出明显高的功率密度(> 300W / m 2)。自我意识材料也是如此。目前,我们专注于对嵌入式系统的低功耗能量收集,但这种材料系统可以在大尺度上利用数百瓦的电力。

金宝搏官网:超材料看起来像什么?你能帮我们把它和它的分量形象化吗?它是强烈的吗?感觉如何?

阿米尔Alavi教授:自我意识超材料是一种人工复合材料,由不同的导电层和介电层按周期组织起来。这种材料的设计是这样的,在压力下,导电层和介电层之间会发生接触电气化,产生一个电荷来传递关于材料状态的信息。

该复合体系中的导电层和介电层可以从摩擦电学系列中的有机和无机材料中广泛选择。

材料设计包括折断的片段,提供了一个自恢复的行为负载下。这种自恢复机制有助于产生触点分离循环,并相应地产生触点带电。这将在导电层之间形成静电场和电位差。由接触带电产生的电信号输出信号可用于主动传感应用于该结构的外部机械激励。另一方面,产生的电能可以被收集和存储,以增强传感器和电子设备的能力。

金宝搏官网:材料的特点是否限制了可能的应用?

阿米尔Alavi教授有很多种材料可以用来制造复合层。这个概念是超材料和能量收集概念的融合。超材料的美在于它们是基于合理的几何设计的人工结构,而不是材料的化学成分。因此,您可以调整设计,以实现几乎任何所需的机械性能。我们唯一的挑战是,我们必须优化各种设计和材料相关的参数,在复合材料的自我意识材料矩阵。我们计划使用先进的计算模型来解决这个问题。

金宝搏官网:你能把我进入申请吗?说,“自我意识”支架工作怎么样?

阿米尔Alavi教授例每年有数百万的心血管支架被植入。动脉内支架的存在会导致动脉组织的过度生长,从而导致支架内的再狭窄。这种并发症被称为支架内再狭窄,在接受支架治疗的患者中可高达50%。目前迫切需要一种快速、无创、易操作的方法来检测支架内再狭窄。一种自我感知、生物相容性和无毒的自我意识支架可用于持续监测组织过度生长和支架内再狭窄时的局部血流动力学变化。需要注意的是,任何由于支架内再狭窄引起的再狭窄都会改变自我感知支架产生的信号。

还有,来看看这个用于脊柱融合监测的智能体间融合器:

实验室的研究人员创造了一种自我感知的融合笼设计。

椎间融合器广泛应用于骨科。我们的自我意识融合器可以提供关于愈合过程中脊柱状况的详细信息。通常情况下,人们会使用成像方法,如x光或CT扫描,这些方法不仅不准确,而且昂贵,还会使患者暴露在严重的辐射中。

然而,这些都是概念验证的原型,我们现在正在为临床转化寻求资金。

金宝搏官网除了医疗应用,这种超材料如何工作在类似一座桥吗?

阿米尔Alavi教授:您可以通过跟踪电压信号模式的变化来检测任何损坏。例如,裂缝改变可以通过自我意识的桥甲板拾取的应变模式和应力浓度。任何故障都可能会从基线移动信号。

金宝搏官网你接下来要做什么?

阿米尔Alavi教授:您可能已经注意到这项技术的巨大应用。整个概念仍处于起步阶段,并且有很多探索。我们首先需要获得更多资金来研究这些材料系统的各种机电方面。还需要研究这些设备的长期性能。虽然我们在生物医学和土木工程领域有很多工作,但我们还在扩展了我们对这项技术的空间探索应用的研究。

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