Bahan Sensor Mandiri Memantau Kesehatan Strukturalnya Sendiri
Lab Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) di Swanson School of Engineering, University of Pittsburgh telah merancang kelas baru bahan yang sadar diri.
Sistem metamaerial yang mandiri daya ini, secara efektif, adalah sensornya sendiri, merekam dan merelay informasi penting tentang tekanan dan stres pada strukturnya. Kemampuan ini mendukung berbagai aplikasi sensing dan pemantauan, menurut Amir Alavi, profesor asisten teknik sipil dan lingkungan serta bioinsinyur, yang memimpin iSMaRT Lab.
Penelitian tim baru-baru ini diterbitkan di Nano Energy .
"Sistem metamaerial yang sadar diri yang kami temukan dapat menawarkan karakteristik ini dengan memadukan teknologi metamaerial canggih dan pemanen energi pada multiskala, apakah itu stent medis, demper geser, atau sayap pesawat," kata Prof. Alavi .
Bahan yang dapat merasakan diri yang ada adalah komposit yang bergantung pada berbagai bentuk serat karbon sebagai modul sensing. Pendekatan iSMaRT, sebaliknya, membutuhkan tekanan.
Dengan tekanan, kontak-elektrifikasi terjadi antara lapisan konduktif dan dielektrik bahan, menciptakan muatan listrik yang merelay informasi tentang kondisi bahan. Daya yang dihasilkan oleh mekanisme nanogenerator triboelektrik built-in teknologi menghilangkan kebutuhan akan sumber daya terpisah — sebuah inovasi menurut para penemu.
"Kami yakin penemuan ini adalah game changer dalam ilmu metamaerial di mana multifungsi sekarang mendapatkan banyak traksi," kata Kaveh Barri, penulis utama dan mahasiswa doktor di lab Alavi . "Sementara sebagian besar upaya saat ini di area ini hanya mengembangkan properti mekanis baru, kami pergi satu langkah lebih jauh dengan memperkenalkan mekanisme self-charging dan self-sensing yang revolusioner ke dalam struktur sistem bahan."
Para peneliti telah menciptakan beberapa desain prototipe untuk berbagai aplikasi teknik sipil, penerbangan luar angkasa dan biomedis, dari stent jantung, hingga jembatan, hingga bahkan luar angkasa.
"Bayangkan bagaimana kita bahkan dapat menyesuaikan konsep ini untuk membangun habitat luar angkasa yang struktural kokoh hanya menggunakan bahan indigenous di Mars dan di luar," kata Alavi.
Dalam Q&A dengan Tech Briefs di bawah ini, Prof. Alavi menjelaskan lebih banyak tentang aplikasi yang mungkin untuk bahan — dan seberapa dekat kita dengan struktur luar angkasa yang sadar diri.
Tech Briefs: Aplikasi mana yang akan mendapat manfaat terbesar dari "sadaran diri" bahan?
Prof. Amir Alavi: Saya yakin teknologi bahan yang sadar diri akan memiliki berbagai aplikasi luas di bidang penerbangan luar angkasa, peralatan biomedis, infrastruktur sipil, dan konstruksi. Kami telah menjelajahi kemampuan mereka di arena penerbangan luar angkasa dan biomedis melalui prototipe stent dan demper geser darah yang mandiri daya dan self-sensing.
Aplikasi paling segera dan bermanfaat dari teknologi ini adalah untuk merancang generasi baru peralatan biomedis. Di bawah konsep ini, Anda dapat mengubah implan medis menjadi sensor dan nanogenerator tanpa harus menyatukan elektronika apa pun. Keindahan konsep ini adalah bahwa itu memberikan banyak opsi bahan yang kompatibel dengan tubuh dan bahkan dapat diserap oleh tubuh untuk memproduksi sistem implan Anda dan cukup menyesuaikan properti mekanis implan untuk kinerja yang diinginkan.
Tech Briefs: Apakah Anda melihat bidang lain di mana teknologi "sadar diri" ini akan berguna?
Prof. Amir Alavi: Tentu, teknologi akan memiliki aplikasi massal dalam infrastruktur sipil dan konstruksi karena Anda dapat menggunakannya untuk merancang struktur pintar yang ringan massa, biaya rendah, sangat scalable, dan dapat disesuaikan secara mekanis. Dalam teknik sipil, kita biasanya menangani struktur mega di mana Anda memerlukan ribuan sensor untuk memantau kondisi dan kesehatannya. Jaringan sensor padat ini sulit dipasang dan dirawat dalam struktur skala besar. Sekarang asumsikan struktur mega yang sadar diri (seperti jembatan) di mana struktur itu adalah medium sensing itu sendiri melalui desain arsitektur rasional dan pilihan bahan konstituen. Anda cukup mencantumkan kabel ke titik manapun pada struktur untuk mengumpulkan informasi tentang kondisi strukturalnya. Ini akan menjadi pergulatan paradigma dalam teknologi sensing terdistribusi, yang sangat penting untuk pemantauan kontinu infrastruktur tua kita!
Tech Briefs: Aplikasi mana yang paling membuat Anda bersemangat?
Prof. Amir Alavi: Aplikasi yang paling menarik dari teknologi ini adalah eksplorasi luar angkasa, di mana kita harus bergantung pada bahan indigenous untuk membangun habitat luar angkasa! Anda dapat menyesuaikan teknologi ini untuk menciptakan habitat pertama kalinya di Mars dan di luar yang mandiri! Saya membayangkan ini sebagai struktur metamaerial yang scalable yang cukup kuat untuk menahan lingkungan yang keras dan dibangun hanya menggunakan bahan di tanah Mars, yang melimpah berdasarkan pengukuran yang diambil oleh sond luar angkasa kami! Habitat luar angkasa yang sadar diri akan mampu memanen energi yang diperlukan menggunakan sumber getaran apa pun di sana — katakan, angin. Pada saat yang sama, struktur ini akan mengumpulkan informasi tentang lingkungan operasional dan memantau kondisi mereka sendiri. Kemampuan self-sensing dan self-monitoring unik ini adalah mengapa kami yakin bahwa bahan yang sadar diri akan membangun fondasi untuk struktur hidup masa depan. Kami telah mulai bekerja pada berbagai aspek teknologi kami untuk aplikasi eksplorasi luar angkasa!
Tech Briefs: Berapa banyak daya yang dihasilkan, dan bagaimana daya itu dihasilkan? (Apakah cukup daya untuk mendukung aplikasi?)
Prof. Amir Alavi: Sistem bahan yang sadar diri kami secara alami mewarisi fitur unggulan dari nanogenerator triboelektrik. Nanogenerator triboelektrik telah menunjukkan densitas daya yang sangat tinggi (>300 W/m2). Hal yang sama akan benar untuk bahan yang sadar diri. Untuk saat ini, kami fokus pada pemanen energi daya rendah untuk sistem yang dapat disematkan, tetapi sistem bahan seperti itu dapat memanen ratusan watt daya pada skala besar.
Tech Briefs: Metamaerial terlihat seperti apa? Bisakah Anda membantu kita memvisualisasikannya, dan komponennya? Apakah itu kuat? Bagaimana rasanya?
Prof. Amir Alavi: Metamaerial yang sadar diri adalah komposit buatan yang terdiri dari berbagai lapisan konduktif dan dielektrik yang diatur secara periodik. Bahan dirancang sehingga, di bawah tekanan, kontak-elektrifikasi terjadi antara lapisan konduktif dan dielektriknya, menciptakan muatan listrik yang merelay informasi tentang kondisi bahan.
Lapisan konduktif dan dielektrik dalam sistem komposit ini dapat dipilih dari berbagai macam bahan organik dan anorganik dari seri triboelektrik.
Desain bahan melibatkan segmen yang melekat yang menawarkan perilaku pemulihan diri di bawah beban. Mekanisme pemulihan diri ini membantu menciptakan siklus kontak-pemisahan dan, sesuai dengan itu, kontak-elektrifikasi. Ini akan membentuk medan listrik statis dan perbedaan potensial di antara lapisan konduktif. Sinyal output listrik yang dihasilkan karena kontak-elektrifikasi dapat digunakan untuk sensing aktif dari excitasi mekanis eksternal yang diterapkan pada struktur. Di sisi lain, energi listrik yang dihasilkan dapat dipanen dan disimpan untuk memberdayakan sensor dan elektronika.
Lebih Banyak Materi Canggih di Tech Briefs
Sebuah 'materi hidup' dari mikroalga menawarkan ide baru, dari energi hingga fashion.
Elemen ultra-tipis menawarkan potensi 'positif' untuk elektronik transparan.
Untuk berita terbaru, kunjungi hub Materi kami
Tech Briefs: Apakah karakteristik bahan membatasi aplikasi yang mungkin?
Prof. Amir Alavi: Ada berbagai macam bahan yang dapat digunakan untuk memproduksi lapisan komposit. Konsep ini adalah fusisi konsep metamaerial dan pemanen energi. Keindahan metamaerial adalah bahwa mereka adalah struktur buatan berdasarkan desain geometris rasional dan bukan komposisi kimia bahan. Jadi Anda dapat menyesuaikan desain untuk mencapai kinerja mekanis yang hampir diinginkan. Satu-satunya tantangan bagi kami adalah kita harus mengoptimalkan berbagai parameter desain dan terkait bahan dalam matriks komposit bahan yang sadar diri. Kami berencana untuk menangani ini menggunakan model komputasi canggih.
Tech Briefs: Bisakah Anda membawaku ke dalam aplikasi? Bagaimana, misalnya, "stent yang sadar diri" akan bekerja?
Prof. Amir Alavi: Jutaan stent kardiovaskular ditanam setiap tahun. Kehadiran stent dalam arteri dapat menyebabkan pertumbuhan jaringan arteri berlebihan yang dapat menyebabkan penyempitan kembali dalam stent. Komplikasi ini, dikenal sebagai in-stent restenosis, dapat mencapai hingga 50% di antara pasien yang dipasang stent. Saat ini ada kebutuhan serius untuk metode noninvasive, cepat, dan mudah diakses untuk mendeteksi in-stent restenosis. Stent yang sadar diri, kompatibel dengan tubuh, dan non-bacot dapat potensialmente digunakan untuk pemantauan kontinu perubahan hemodinamik lokal setelah pertumbuhan jaringan dan in-stent restenosis. Perhatikan bahwa setiap penyempitan kembali karena in-stent restenosis akan mengubah sinyal yang dihasilkan oleh stent yang sadar diri.
Juga, lihatlah smart interbody fusion cage untuk pemantauan fusasi tulang belakang ini:
Interbody fusion cages banyak digunakan di ortopedi. Interbody fusion cage yang sadar diri kami dapat memberikan informasi detail tentang kondisi tulang belakang selama proses penyembuhan. Biasanya, orang melakukan ini menggunakan metode citra, seperti sinar X atau CT scan, yang tidak hanya tidak akurat tetapi juga mahal dan mengekspos pasien pada radiasi yang signifikan.
Namun, ini semua prototipe konsep bukti dan kami sekarang mencari pendanaan untuk translasi klinis.
Tech Briefs: Selain aplikasi medis, bagaimana metamaerial ini akan bekerja untuk sesuatu seperti jembatan?
Prof. Amir Alavi: Anda dapat mendeteksi kerusakan apa pun dengan melacak perubahan pola sinyal tegangan. Untuk contoh, retakan mengubah pola regangan dan konsentrasi stres yang dapat ditangkap oleh dek jembatan yang sadar diri. Setiap kegagalan dapat berpotensi mengubah sinyal dari garis dasar.
Tech Briefs: Apa yang Anda kerjakan selanjutnya?
Prof. Amir Alavi: Anda mungkin telah perhatikan aplikasi besar dari teknologi ini. Seluruh konsep masih dalam tahap awal, dan ada banyak yang perlu dijelajahi. Kami pertama-tama perlu mengamankan lebih banyak pendanaan untuk mempelajari berbagai aspek mekanis dan listrik dari sistem bahan ini. Kinerja jangka panjang perangkat ini juga perlu dipelajari. Sementara kami memiliki banyak yang harus dilakukan di domain teknik biomedis dan sipil, kami juga memperluas penelitian kami ke aplikasi eksplorasi luar angkasa dari teknologi ini.
Apa pendapat Anda? Berbagi pertanyaan dan komentar Anda di bawah.
