Materi Penginderaan Sadar Diri Memiliki Kekuatan Sendiri

Lab Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) di University of Pittsburgh Swanson School of Engineering telah merancang kelas baru materi kesadaran diri.

Sistem metamaterial self-powering, pada dasarnya, adalah sensornya sendiri, merekam dan menyampaikan informasi penting tentang tekanan dan tekanan pada strukturnya. Kemampuan tersebut mendukung beragam aplikasi penginderaan dan pemantauan, menurut Amir Alavi, asisten profesor teknik sipil dan lingkungan dan bioteknologi, yang memimpin iSMaRT Lab.

Penelitian tim baru-baru ini dipublikasikan di Nano Energy .

"Sistem metamaterial sadar diri yang kami temukan dapat menawarkan karakteristik ini dengan menggabungkan metamaterial canggih dan teknologi pemanenan energi di berbagai skala, baik itu stent medis, peredam kejut, atau sayap pesawat terbang," kata Prof. Alavi .

Bahan penginderaan diri yang ada adalah komposit yang mengandalkan berbagai bentuk serat karbon sebagai modul penginderaan. Sebaliknya, pendekatan iSMarT membutuhkan tekanan.

Dengan tekanan, kontak-listrik terjadi antara lapisan konduktif dan dielektrik material, menciptakan muatan listrik yang menyampaikan informasi tentang kondisi material. Daya yang dihasilkan oleh mekanisme nanogenerator triboelektrik bawaan teknologi menghilangkan kebutuhan akan sumber daya terpisah — sebuah terobosan menurut para penemu.

“Kami percaya penemuan ini adalah pengubah permainan dalam ilmu metamaterial di mana multifungsi sekarang mendapatkan banyak daya tarik,” kata Kaveh Barri, penulis utama dan mahasiswa doktoral di lab Alavi . “Sementara sebagian besar upaya saat ini di bidang ini hanyalah mengeksplorasi sifat mekanik baru, kami melangkah lebih jauh dengan memperkenalkan mekanisme pengisian otomatis dan penginderaan otomatis yang revolusioner ke dalam struktur sistem material.”

Para peneliti telah membuat beberapa desain prototipe untuk berbagai aplikasi teknik sipil, kedirgantaraan, dan biomedis, mulai dari stent jantung, jembatan, hingga luar angkasa.

"Bayangkan bagaimana kita bahkan dapat mengadaptasi konsep ini untuk membangun habitat ruang angkasa mandiri yang kuat secara struktural dengan hanya menggunakan bahan asli di Mars dan sekitarnya," kata Alavi.

Dalam Tanya Jawab dengan Ringkasan Teknologi di bawah ini, Prof. Alavi menjelaskan lebih lanjut tentang kemungkinan penerapan material tersebut — dan seberapa dekat kita dengan struktur ruang yang sadar diri.

Ringkasan Teknologi :Aplikasi mana yang paling diuntungkan oleh "kesadaran diri" materi?

Prof. Amir Alavi :Saya yakin bahwa teknologi material yang sadar diri akan memiliki berbagai aplikasi di bidang kedirgantaraan, perangkat biomedis, infrastruktur sipil, dan konstruksi. Kami telah mengeksplorasi kemampuan mereka di bidang kedirgantaraan dan biomedis melalui pembuatan prototipe stent pembuluh darah dan peredam kejut swadaya dan penginderaan diri.

Aplikasi yang paling cepat dan bermanfaat dari teknologi ini adalah untuk merancang generasi baru perangkat biomedis. Di bawah konsep ini, Anda dapat mengubah implan medis menjadi sensor dan nanogenerator tanpa harus memasukkan elektronik apa pun. Keindahan dari konsep ini adalah memberikan banyak pilihan bahan biokompatibel dan bahkan bioresorbable untuk membuat sistem implan mereka dan hanya menyesuaikan sifat mekanik implan untuk kinerja yang diinginkan.

Ringkasan Teknologi :Apakah Anda melihat bidang lain di mana teknologi "sadar diri" ini akan berguna?

Prof. Amir Alavi :Jelas, teknologi ini akan memiliki aplikasi besar-besaran dalam infrastruktur dan konstruksi sipil karena Anda dapat menggunakannya untuk merancang struktur cerdas yang bermassa ringan, berbiaya rendah, sangat skalabel, dan dapat disesuaikan secara mekanis. Dalam teknik sipil, kami biasanya berurusan dengan struktur besar di mana Anda membutuhkan banyak sensor untuk memantau kondisi dan kesehatannya. Jaringan sensor padat ini sulit dipasang dan dipelihara dalam struktur skala besar. Sekarang asumsikan struktur mega yang sadar diri (seperti jembatan) di mana struktur tersebut adalah media penginderaan itu sendiri melalui desain arsitektur yang rasional dan pilihan bahan penyusunnya. Anda cukup memasang kabel ke titik mana pun pada struktur untuk mengumpulkan informasi tentang kondisi strukturalnya. Ini akan menjadi perubahan paradigma dalam teknologi penginderaan terdistribusi, yang sangat penting untuk pemantauan berkelanjutan infrastruktur kita yang menua!

Ringkasan Teknologi :Aplikasi mana yang paling menggairahkan Anda?

Prof. Amir Alavi :Aplikasi teknologi yang paling menarik adalah eksplorasi ruang angkasa, di mana kita harus mengandalkan bahan asli untuk membangun habitat luar angkasa! Anda dapat mengadaptasi teknologi ini untuk menciptakan habitat mandiri pertama di Mars dan sekitarnya. Saya membayangkan ini sebagai struktur metamaterial terukur yang cukup kuat untuk menahan lingkungan yang keras dan dibangun hanya menggunakan material di tanah Mars, yang berlimpah berdasarkan pengukuran yang dilakukan oleh wahana antariksa kami! Habitat ruang yang sadar diri akan mampu memanen energi yang dibutuhkan menggunakan sumber getaran apa pun di sana — katakanlah, angin. Pada saat yang sama, struktur ini akan mengumpulkan informasi tentang lingkungan operasi dan memantau sendiri kondisinya. Kemampuan penginderaan diri dan pemantauan diri yang unik inilah yang menjadi alasan kami sangat yakin bahwa bahan yang sadar diri akan membangun fondasi untuk struktur kehidupan di masa depan. Kami sudah mulai mengerjakan berbagai aspek teknologi kami untuk aplikasi eksplorasi ruang angkasa!

Ringkasan Teknologi :Berapa daya yang dihasilkan, dan bagaimana daya tersebut dihasilkan? (Apakah dayanya cukup untuk mendukung aplikasi?)

Prof. Amir Alavi :Sistem material sadar diri kami secara alami mewarisi fitur luar biasa dari nanogenerator triboelektrik. Nanogenerator triboelektrik telah menunjukkan kepadatan daya yang sangat tinggi (>300 W/m2). Hal yang sama akan berlaku untuk materi kesadaran diri. Untuk saat ini, kami berfokus pada pemanenan energi berdaya rendah untuk sistem yang dapat disematkan, tetapi sistem material tersebut dapat memanfaatkan daya ratusan watt dalam skala besar.

Ringkasan Teknologi :Seperti apa metamaterial itu? Bisakah Anda membantu kami memvisualisasikannya, dan komponennya? Apakah itu kuat? Bagaimana rasanya?

Prof. Amir Alavi :Sebuah metamaterial sadar diri adalah material komposit buatan yang terdiri dari berbagai lapisan lapisan konduktif dan dielektrik yang diatur secara berkala. Material dirancang sedemikian rupa sehingga, di bawah tekanan, terjadi kontak-listrik antara lapisan konduktif dan dielektriknya, menciptakan muatan listrik yang menyampaikan informasi tentang kondisi material.

Lapisan konduktif dan dielektrik dalam sistem komposit ini dapat dipilih dari berbagai bahan organik dan anorganik dari seri triboelektrik.

Desain material melibatkan segmen gertakan yang menawarkan perilaku pemulihan sendiri di bawah pemuatan. Mekanisme pemulihan diri ini membantu menciptakan siklus pemisahan kontak dan, karenanya, elektrifikasi kontak. Ini akan membentuk medan listrik statis dan perbedaan potensial antara lapisan konduktif. Sinyal keluaran listrik yang dihasilkan karena elektrifikasi kontak dapat digunakan untuk penginderaan aktif dari eksitasi mekanis eksternal yang diterapkan pada struktur. Di sisi lain, energi listrik yang dihasilkan dapat dipanen dan disimpan untuk memberdayakan sensor dan elektronik.

Materi Lanjutan Lebih Lanjut tentang Ringkasan Teknologi

'Materi hidup' mikroalga menawarkan ide-ide baru, mulai dari energi hingga mode.

Elemen super tipis menawarkan potensi 'positif' untuk elektronik transparan.

Untuk berita terbaru, kunjungi hub Material kami

Ringkasan Teknologi :Apakah karakteristik bahan membatasi kemungkinan aplikasi?

Prof. Amir Alavi :Ada berbagai macam bahan yang dapat digunakan untuk membuat lapisan komposit. Konsep ini merupakan perpaduan konsep metamaterial dan pemanenan energi. Keindahan metamaterial adalah bahwa mereka adalah struktur buatan yang didasarkan pada desain geometris rasional dan bukan komposisi kimia material. Jadi Anda dapat menyetel desain untuk mencapai hampir semua kinerja mekanis yang diinginkan. Satu-satunya tantangan bagi kami adalah bahwa kami harus mengoptimalkan berbagai desain dan parameter terkait material dalam matriks material sadar diri komposit. Kami berencana untuk mengatasinya menggunakan model komputasi canggih.

Ringkasan Teknologi :Bisakah Anda membawa saya ke aplikasi? Bagaimana, katakanlah, stent "sadar diri" bekerja?

Prof. Amir Alavi :Jutaan stent kardiovaskular ditanamkan setiap tahun. Kehadiran stent di dalam arteri dapat menyebabkan pertumbuhan berlebih dari jaringan arteri yang dapat menyebabkan penyempitan kembali di dalam stent. Komplikasi ini, yang dikenal sebagai restenosis dalam stent, dapat mencapai 50% di antara pasien yang menggunakan stent. Saat ini ada kebutuhan serius akan metode yang cepat, non-invasif, dan mudah diakses untuk mendeteksi restenosis dalam stent. Stent self-sensing, biokompatibel, dan non-toksik dapat berpotensi digunakan untuk pemantauan berkelanjutan perubahan hemodinamik lokal pada pertumbuhan berlebih jaringan dan restenosis dalam stent. Perhatikan bahwa setiap penyempitan ulang karena restenosis in-stent akan mengubah sinyal yang dihasilkan oleh stent self-aware.

Juga, lihat sangkar fusi antar bodi pintar ini untuk pemantauan fusi tulang belakang:

Kandang fusi antar tubuh banyak digunakan dalam ortopedi. Fusi kandang sadar diri kami dapat memberikan informasi rinci tentang kondisi tulang belakang selama proses penyembuhan. Biasanya, orang melakukannya menggunakan metode pencitraan, seperti sinar-X atau CT scan, yang tidak hanya tidak akurat tetapi juga mahal dan membuat pasien terpapar radiasi yang signifikan.

Namun, ini semua adalah prototipe bukti konsep dan kami sekarang mencari dana untuk terjemahan klinis.

Ringkasan Teknologi :Selain aplikasi medis, bagaimana metamaterial ini bekerja untuk sesuatu seperti jembatan?

Prof. Amir Alavi :Anda dapat mendeteksi kerusakan apa pun dengan melacak perubahan pola sinyal tegangan. Misalnya, retakan mengubah pola regangan dan konsentrasi tegangan yang dapat diambil oleh dek jembatan yang sadar diri. Kegagalan apa pun berpotensi menggeser sinyal dari garis dasar.

Ringkasan Teknologi :Apa yang Anda kerjakan selanjutnya?

Prof. Amir Alavi :Anda mungkin telah memperhatikan aplikasi besar dari teknologi ini. Seluruh konsep masih dalam masa pertumbuhan, dan ada banyak hal untuk dijelajahi. Pertama-tama kita perlu mengamankan lebih banyak dana untuk mempelajari berbagai aspek mekanik dan listrik dari sistem material ini. Kinerja jangka panjang dari perangkat ini perlu dipelajari juga. Meskipun kami memiliki banyak hal yang harus dilakukan dalam domain biomedis dan teknik sipil, kami juga memperluas penelitian kami ke aplikasi eksplorasi ruang angkasa dari teknologi ini.

Bagaimana menurutmu? Bagikan pertanyaan dan komentar Anda di bawah.