O material de detecção autoconsciente tem poderes próprios

Laboratório de Monitoramento Estrutural Inteligente e Teste de Resposta (iSMaRT) da Universidade de Pittsburgh Swanson School of Engineering projetou uma nova classe de materiais autoconscientes.

O sistema metamaterial auto-alimentado é, de fato, seu próprio sensor, registrando e transmitindo informações importantes sobre a pressão e as tensões em sua estrutura. A capacidade suporta uma ampla gama de aplicações de detecção e monitoramento, de acordo com Amir Alavi, professor assistente de engenharia civil e ambiental e bioengenharia, que lidera o iSMaRT Lab.

A pesquisa da equipe foi publicada recentemente na Nano Energy .

"Os sistemas de metamateriais autoconscientes que inventamos podem oferecer essas características fundindo metamateriais avançados e tecnologias de coleta de energia em multiescala, seja um stent médico, amortecedor ou asa de avião", disse o Prof. Alavi .

Os materiais auto-sensíveis existentes são compósitos que se baseiam em diferentes formas de fibras de carbono como módulos de detecção. A abordagem iSMaRT, por outro lado, requer pressão.

Com a pressão, a eletrificação de contato ocorre entre as camadas condutora e dielétrica do material, criando uma carga elétrica que transmite informações sobre a condição do material. A energia gerada pelo mecanismo de nanogerador triboelétrico integrado à tecnologia elimina a necessidade de uma fonte de energia separada – um avanço de acordo com os inventores.

“Acreditamos que esta invenção é um divisor de águas na ciência de metamateriais, onde a multifuncionalidade está ganhando muita força”, disse Kaveh Barri, autor principal e doutorando no laboratório de Alavi . “Embora uma parte substancial dos esforços atuais nesta área tenha sido meramente explorando novas propriedades mecânicas, estamos dando um passo adiante ao introduzir mecanismos revolucionários de auto-carregamento e auto-detecção no tecido dos sistemas de materiais”.

Os pesquisadores criaram vários projetos de protótipos para uma variedade de aplicações de engenharia civil, aeroespacial e biomédica, de stents cardíacos a pontes e até mesmo espaço.

“Imagine como podemos até mesmo adaptar esse conceito para construir habitats espaciais autoalimentados estruturalmente sólidos usando apenas materiais indígenas em Marte e além”, disse Alavi.

Em uma sessão de perguntas e respostas com Resumos técnicos abaixo, o Prof. Alavi explica mais sobre possíveis aplicações para o material – e quão perto estamos de estruturas espaciais autoconscientes.

Resumos técnicos :Quais aplicações podem ser mais beneficiadas pela “autoconsciência” de um material?

Prof. Amir Alavi :Estou confiante de que a tecnologia de materiais autoconscientes terá uma ampla gama de aplicações nas áreas aeroespacial, dispositivos biomédicos, infraestrutura civil e construção. Já exploramos suas capacidades na área aeroespacial e biomédica por meio da prototipagem de stents e amortecedores de vasos sanguíneos auto-alimentados e auto-sensíveis.



A aplicação mais imediata e benéfica desta tecnologia é para projetar uma nova geração de dispositivos biomédicos. Sob este conceito, você pode transformar os implantes médicos em sensores e nanogeradores sem ter que incorporar qualquer eletrônica. A beleza do conceito é que ele oferece às pessoas muitas opções de materiais biocompatíveis e até bioabsorvíveis para fabricar seus sistemas implantáveis ​​e simplesmente ajustar as propriedades mecânicas dos implantes para um desempenho desejado.

Resumos técnicos :Você vê algum outro campo em que essa tecnologia "autoconsciente" será útil?

Prof. Amir Alavi :Obviamente, a tecnologia terá aplicações massivas em infraestrutura civil e construção porque você pode usá-la para projetar estruturas inteligentes que são leves em massa, de baixo custo, altamente escaláveis ​​e mecanicamente ajustáveis. Na engenharia civil, geralmente lidamos com megaestruturas onde você precisa de toneladas de sensores para monitorar sua condição e saúde. Essas densas redes de sensores são difíceis de instalar e manter em estruturas de grande escala. Agora assuma uma mega estrutura autoconsciente (como uma ponte) onde a estrutura é um meio de detecção por meio de um projeto arquitetônico racional e escolha de materiais constituintes. Você pode simplesmente anexar fios a qualquer ponto da estrutura para coletar informações sobre sua condição estrutural. Isso seria uma mudança de paradigma na tecnologia de detecção distribuída, que é particularmente importante para o monitoramento contínuo de nossa infraestrutura antiga!

Resumos técnicos :Qual aplicativo mais te empolga?

Prof. Amir Alavi :A aplicação mais empolgante da tecnologia são as explorações espaciais, onde devemos contar com materiais indígenas para construir habitats espaciais! Você pode adaptar essa tecnologia para criar um habitat autossustentável e inédito em Marte e além. Eu imagino isso como uma estrutura de metamaterial escalável que é forte o suficiente para resistir a um ambiente hostil e é construída apenas usando materiais em solo marciano, que são abundantes com base nas medições feitas por nossas sondas espaciais! O habitat espacial autoconsciente seria capaz de coletar a energia necessária usando qualquer fonte de vibração – digamos, o vento. Ao mesmo tempo, essas estruturas coletarão informações sobre o ambiente operacional e automonitorizarão sua condição. Essa capacidade única de autodetecção e automonitoramento é a razão pela qual acreditamos fortemente que os materiais autoconscientes construirão a base para futuras estruturas vivas. Já começamos a trabalhar em vários aspectos de nossa tecnologia para aplicações de exploração espacial!

Resumos técnicos :Quanta energia é gerada e como essa energia é gerada? (É energia suficiente para suportar aplicativos?)

Prof. Amir Alavi :Nossos sistemas de materiais autoconscientes herdam naturalmente as características excepcionais dos nanogeradores triboelétricos. Os nanogeradores triboelétricos mostraram uma densidade de potência significativamente alta (>300 W/m2). O mesmo seria verdade para materiais autoconscientes. Por enquanto, estamos focados na coleta de energia de baixa potência para sistemas incorporáveis, mas esses sistemas de materiais podem aproveitar centenas de watts de energia em larga escala.

Resumos técnicos :Como é o metamaterial? Você pode nos ajudar a visualizá-lo e seus componentes? É forte? Como se sente?

Prof. Amir Alavi :Um metamaterial autoconsciente é um material compósito artificial composto por diferentes camadas de camadas condutoras e dielétricas que são organizadas de maneira periódica. O material é projetado de tal forma que, sob pressão, ocorre eletrificação de contato entre suas camadas condutora e dielétrica, criando uma carga elétrica que transmite informações sobre a condição do material.

As camadas condutoras e dielétricas neste sistema compósito podem ser escolhidas a partir de uma ampla gama de materiais orgânicos e inorgânicos da série triboelétrica.

O design do material envolve segmentos de encaixe que oferecem um comportamento de auto-recuperação sob carga. Este mecanismo de auto-recuperação ajuda a criar ciclos de separação de contato e, consequentemente, eletrificação de contato. Isso formará um campo elétrico estático e uma diferença de potencial entre as camadas condutoras. Os sinais elétricos de saída gerados devido à eletrificação de contato podem ser usados ​​para detecção ativa da excitação mecânica externa aplicada à estrutura. Por outro lado, a energia elétrica gerada pode ser colhida e armazenada para capacitar sensores e eletrônicos.

Materiais mais avançados sobre resumos técnicos

Um 'material vivo' de microalgas oferece novas ideias, da energia à moda.

Um elemento superfino oferece potencial 'positivo' para eletrônicos transparentes.

Para as últimas notícias, visite nosso hub de materiais

Resumos técnicos :As características do material limitam as possíveis aplicações?

Prof. Amir Alavi :Existe uma ampla gama de materiais que podem ser usados ​​para fabricar as camadas compostas. Este conceito é a fusão dos conceitos de metamateriais e de colheita de energia. A beleza dos metamateriais é que eles são estruturas artificiais baseadas no desenho geométrico racional e não na composição química do material. Assim, você pode ajustar o design para obter praticamente qualquer desempenho mecânico desejado. O único desafio para nós é que temos que otimizar vários parâmetros relacionados ao projeto e ao material em uma matriz de material autoconsciente composta. Planejamos cuidar disso usando modelos computacionais avançados.

Resumos técnicos :Você pode me trazer para um aplicativo? Como, digamos, um stent "autoconsciente" funcionaria?

Prof. Amir Alavi :Milhões de stents cardiovasculares são implantados todos os anos. A presença de um stent dentro de uma artéria pode levar ao crescimento excessivo de tecido arterial que pode causar estreitamento dentro do stent. Essa complicação, conhecida como reestenose intra-stent, pode chegar a 50% entre os pacientes com stent. Existe atualmente uma séria necessidade de um método rápido, não invasivo e de fácil acesso para detectar reestenose intra-stent. Um stent auto-sensível, biocompatível e não tóxico pode ser potencialmente implantado para monitoramento contínuo de alterações hemodinâmicas locais após supercrescimento tecidual e reestenose no stent. Observe que qualquer estreitamento devido à reestenose no stent alterará o sinal gerado pelo stent autoconsciente.

Além disso, confira esta gaiola de fusão intercorporal inteligente para monitoramento de fusão espinhal:

As gaiolas de fusão intercorporais são amplamente utilizadas em ortopedia. Nossa gaiola de fusão autoconsciente pode fornecer informações detalhadas sobre a condição da coluna durante o processo de cicatrização. Normalmente, as pessoas fazem isso usando métodos de imagem, como raios-X ou tomografia computadorizada, que não são apenas imprecisos, mas também caros e expõem o paciente a uma radiação significativa.

No entanto, todos esses são protótipos de prova de conceito e agora estamos buscando financiamento para tradução clínica.

Resumos técnicos :Além de aplicações médicas, como esse metamaterial funcionaria para algo como uma ponte?

Prof. Amir Alavi :Você pode detectar quaisquer danos rastreando as alterações dos padrões de sinal de tensão. Por exemplo, trincas alteram os padrões de deformação e concentração de tensão que podem ser captados por um tabuleiro de ponte autoconsciente. Quaisquer falhas podem potencialmente deslocar o sinal de uma linha de base.

Resumos técnicos :No que você está trabalhando agora?

Prof. Amir Alavi :Você já deve ter notado a enorme aplicação desta tecnologia. Todo o conceito ainda está em sua infância, e há muito a explorar. Primeiro, precisamos garantir mais financiamento para estudar vários aspectos mecânicos e elétricos desses sistemas de materiais. O desempenho a longo prazo desses dispositivos também precisa ser estudado. Embora tenhamos muito o que fazer nos domínios da engenharia biomédica e civil, também estamos expandindo nossa pesquisa para as aplicações de exploração espacial dessa tecnologia.

O que você acha? Compartilhe suas perguntas e comentários abaixo.