智能结构监测和响应测试(ISMART)实验室在匹兹堡大学斯旺森省工程学院设计了一类新的自我意识材料。

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

现有的自感应材料是复合材料,其依赖于不同形式的碳纤维作为传感模块。相比之下,ISMART方法需要压力。

通过压力,在材料的导电和介电层之间发生接触电气,从而产生电荷,该电荷能够继承有关材料条件的信息。由技术内置摩擦纳米电磁炉机构产生的功率消除了对单独的电源 - 根据发明人的突破。

“我们认为本发明是超级材料的游戏更换器,多功能性现在正在获得大量牵引力,”阿拉维斯实验室的Kaveh Barri说,领导作者和博士生。“虽然这一领域的最新努力的大量努力仅仅是探索新的机械性能,但我们通过将革命性的自充电和自感应机制引入材料系统的织物来进一步进一步。”

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yabovip16.com下面,Alavi教授更多地解释了材料的可能应用程序 - 只是我们对自我意识的空间结构的关注。

yabovip16.com:这些申请可能因材料的“自我意识?”而受益最多

Amir Alavi教授:我相信自我意识的材料技术将在航空航天,生物医学设备,民事基础设施和施工领域具有广泛的应用。我们已经通过原型自动和自感血管支架和减震器探索了航空航天和生物医学舞台的能力。

该技术的最直接和有益的应用是设计新一代生物医学设备。在这种概念下,您可以将医疗植入物转化为传感器和纳米液,而无需包含任何电子器件。该概念的美丽是它为人们提供了大量的生物相容性甚至生能中的材料选择,以制造它们的植入系统,并简单地调整植入物的机械性能以获得所需的性能。

yabovip16.com:您是否看到任何其他“自我感知”技术有用的领域?

Amir 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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从ISMART实验室中获得新的超级材料的可能应用:“自我意识”支架。(图片信用:Alavi)

yabovip16.com:哪种申请最令人兴奋?

Amir Alavi教授:该技术最令人兴奋的应用是太空探索,我们必须依靠本土材料来构建空间栖息地!您可以调整这项技术,以在火星及更远的地区创造一流的自我持续的栖息地。我认为这是一种可扩展的超材料结构,足以承受严酷的环境,它是仅在火星土壤中使用的材料建造,这是根据我们的空间探针所采取的测量来实现的。自我意识的空间栖息地将能够使用那里的任何振动来收集所需的能量 - 例如风。与此同时,这些结构将收集有关操作环境的信息并自我监控其状况。这种独特的自我传感和自我监控能力是我们强烈地认为自我意识的材料将为未来的生活结构构建基础。我们已经开始致力于我们对空间探索应用的技术的各个方面!

yabovip16.com:生成了多少力量,那么该权力如何产生?(是否足够支持应用程序?)

Amir 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。

yabovip16.com:超材料看起来像什么?您能帮助我们可视化它及其组件吗?它强壮吗?感觉如何?

Amir Alavi教授:自感知的超材料是由不同层组成的人工复合材料,其具有以周期性方式组织的不同的导电和介电层。该材料的设计使得在压力下,在其导电和介电层之间发生接触电气,产生电荷,该电荷能够继承材料条件的信息。

该复合系统中的导电和介电层可以选自来自摩擦电系数的各种有机和无机材料。

材料设计涉及在加载下提供自恢复行为的筛分。这种自恢复机制有助于产生接触分离循环,并因此接触电气化。这将形成静电场和导电层之间的电位差。由于接触电气化而产生的电输出信号可用于施加到结构的外部机械激发的主动感测。另一方面,可以收获产生的电能并将其存储为赋予传感器和电子设备。

yabovip16.com:材料的特点是否限制了可能的应用?

Amir Alavi教授:有多种材料可用于制造复合层。这个概念是超材料和能量收集概念的融合。超材料的美丽是它们是基于合理的几何设计而不是材料化学成分的人工结构。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在复合自我意识的材料矩阵中优化各种设计和材料相关参数。我们计划使用先进的计算模型来照顾这一点。

yabovip16.com:你能把我进入申请吗?说,“自我意识”支架工作怎么样?

Amir Alavi教授:每年植入数百万心血管支架。动脉内支架的存在可能导致可能导致支架内的动脉组织的过度生长。这种并发症,称为支架再狭窄,可以在支架患者中达到50%。目前有一种严重需要一种快速,无创,易于接触的方法来检测支架再狭窄。可以潜在地部署自我传感,生物相容性和无毒的自我感知支架,以连续监测组织过度生长和支架内再狭窄的局部血液动力学变化。请注意,由于支架内再狭窄导致的任何选育都会改变自我吸引支架产生的信号。

此外,请查看此智能电流互熔笼,用于脊柱融合监控:

由实验室的研究人员创建的自我意识的融合笼设计。

椎体间融合笼被广泛用于骨科。我们的自我意识的融合笼可以在愈合过程中提供有关脊柱状况的详细信息。通常,人们使用成像方法,如X射线或CT扫描,这不仅是不准确的,而且还昂贵,并将患者暴露于显着的辐射。

然而,这些都是概念验证原型,我们现在正在寻求临床翻译的资金。

yabovip16.com:除了医学应用程序,这款超级材料如何为类似的东西工作一座桥?

Amir 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。

yabovip16.com:你下次工作的是什么?

Amir 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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