El material de detección autoconsciente se alimenta a sí mismo

El laboratorio de pruebas de respuesta y monitoreo estructural inteligente (iSMaRT) en la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh ha diseñado una nueva clase de materiales autoconscientes.

El sistema de metamaterial autoalimentado es, en efecto, su propio sensor, que registra y transmite información importante sobre la presión y las tensiones en su estructura. La capacidad es compatible con una amplia gama de aplicaciones de detección y monitoreo, según Amir Alavi, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y bioingeniería, quien dirige el iSMaRT Lab.

La investigación del equipo se publicó recientemente en Nano Energy .

"Los sistemas de metamateriales autoconscientes que hemos inventado pueden ofrecer estas características mediante la fusión de metamateriales avanzados y tecnologías de recolección de energía a múltiples escalas, ya sea un stent médico, un amortiguador o el ala de un avión", dijo el profesor Alavi .

Los materiales de autodetección existentes son compuestos que se basan en diferentes formas de fibras de carbono como módulos de detección. El enfoque iSMaRT, por el contrario, requiere presión.

Con la presión, la electrificación por contacto ocurre entre las capas conductora y dieléctrica del material, creando una carga eléctrica que transmite información sobre la condición del material. La energía generada por el mecanismo nanogenerador triboeléctrico incorporado de la tecnología elimina la necesidad de una fuente de energía separada, un gran avance según los inventores.

"Creemos que este invento cambia las reglas del juego en la ciencia de los metamateriales, donde la multifuncionalidad ahora está cobrando mucha fuerza", dijo Kaveh Barri, autor principal y estudiante de doctorado en el laboratorio de Alavi . "Si bien una parte sustancial de los esfuerzos actuales en esta área se ha centrado simplemente en explorar nuevas propiedades mecánicas, vamos un paso más allá al introducir mecanismos revolucionarios de autocarga y autodetección en la estructura de los sistemas de materiales".

Los investigadores han creado múltiples diseños de prototipos para una variedad de aplicaciones de ingeniería civil, aeroespacial y biomédica, desde stents cardíacos hasta puentes e incluso el espacio.

"Imagínese cómo podemos incluso adaptar este concepto para construir hábitats espaciales autoalimentados estructuralmente sólidos utilizando solo materiales autóctonos en Marte y más allá", dijo Alavi.

En una sesión de preguntas y respuestas con Resúmenes técnicos a continuación, el profesor Alavi explica más sobre las posibles aplicaciones del material y lo cerca que estamos de las estructuras espaciales autoconscientes.

Resúmenes técnicos :¿Qué aplicaciones podrían beneficiarse más de la "autoconciencia" de un material?

Profesor. Amir Alavi :Confío en que la tecnología de materiales autoconscientes tendrá una amplia gama de aplicaciones en los campos aeroespacial, dispositivos biomédicos, infraestructura civil y construcción. Ya hemos explorado sus capacidades en el campo aeroespacial y biomédico mediante la creación de prototipos de stents y amortiguadores de vasos sanguíneos autoalimentados y autodetectados.

La aplicación más inmediata y beneficiosa de esta tecnología es para diseñar una nueva generación de dispositivos biomédicos. Bajo este concepto, se pueden transformar los implantes médicos en sensores y nanogeneradores sin necesidad de incorporar electrónica alguna. La belleza del concepto es que brinda a las personas muchas opciones de materiales biocompatibles e incluso biorreabsorbibles para fabricar sus sistemas implantables y simplemente ajustar las propiedades mecánicas de los implantes para lograr el rendimiento deseado.

Resúmenes técnicos :¿Ve algún otro campo en el que esta tecnología "autoconsciente" sea útil?

Profesor. Amir Alavi :Obviamente, la tecnología tendrá aplicaciones masivas en infraestructura civil y construcción porque puede usarla para diseñar estructuras inteligentes que son livianas en masa, de bajo costo, altamente escalables y mecánicamente ajustables. En ingeniería civil, generalmente nos ocupamos de mega estructuras en las que se necesitan toneladas de sensores para monitorear su estado y salud. Estas densas redes de sensores son difíciles de instalar y mantener en estructuras a gran escala. Ahora suponga una mega estructura consciente de sí misma (como un puente) donde la estructura es un medio de detección en sí mismo a través de un diseño arquitectónico racional y la elección de los materiales constituyentes. Simplemente puede conectar cables a cualquier punto de la estructura para recopilar información sobre su condición estructural. ¡Este sería un cambio de paradigma en la tecnología de detección distribuida, que es particularmente importante para el monitoreo continuo de nuestra infraestructura obsoleta!

Resúmenes técnicos :¿Qué aplicación te emociona más?

Profesor. Amir Alavi :¡La aplicación más emocionante de la tecnología son las exploraciones espaciales, donde debemos confiar en materiales indígenas para construir hábitats espaciales! Puede adaptar esta tecnología para crear un hábitat autosuficiente, el primero de su clase, en Marte y más allá. Lo imagino como una estructura de metamaterial escalable que es lo suficientemente fuerte como para soportar un entorno hostil y se construye simplemente utilizando materiales en suelo marciano, ¡que son abundantes según las medidas tomadas por nuestras sondas espaciales! El hábitat espacial consciente de sí mismo sería capaz de recolectar la energía requerida utilizando cualquier fuente de vibración allí, por ejemplo, el viento. Al mismo tiempo, estas estructuras recopilarán información sobre el entorno operativo y autocontrolarán su estado. Esta capacidad única de autodetección y autocontrol es la razón por la que creemos firmemente que los materiales autoconscientes construirán la base para futuras estructuras vivas. ¡Ya hemos comenzado a trabajar en varios aspectos de nuestra tecnología para aplicaciones de exploración espacial!

Resúmenes técnicos :¿Cuánta energía se genera y cómo se genera esa energía? (¿Es suficiente potencia para admitir aplicaciones?)

Profesor. Amir Alavi :Nuestros sistemas de materiales autoconscientes heredan naturalmente las características sobresalientes de los nanogeneradores triboeléctricos. Los nanogeneradores triboeléctricos han mostrado una densidad de potencia significativamente alta (>300 W/m2). Lo mismo sería cierto para los materiales autoconscientes. Por ahora, nos centramos en la recolección de energía de baja potencia para sistemas integrables, pero tales sistemas de materiales pueden aprovechar cientos de vatios de potencia a gran escala.

Resúmenes técnicos :¿Cómo es el metamaterial? ¿Puedes ayudarnos a visualizarlo y sus componentes? ¿Es fuerte? ¿Cómo se siente?

Profesor. Amir Alavi :Un metamaterial autoconsciente es un material compuesto artificial compuesto por diferentes capas de capas conductoras y dieléctricas que se organizan de manera periódica. El material está diseñado de tal manera que, bajo presión, se produce una electrificación por contacto entre sus capas conductora y dieléctrica, creando una carga eléctrica que transmite información sobre el estado del material.

Las capas conductoras y dieléctricas de este sistema compuesto se pueden elegir entre una amplia gama de materiales orgánicos e inorgánicos de la serie triboeléctrica.

El diseño del material implica segmentos de ajuste que ofrecen un comportamiento de autorrecuperación bajo carga. Este mecanismo de autorrecuperación ayuda a crear ciclos de contacto-separación y, en consecuencia, contacto-electrificación. Esto formará un campo eléctrico estático y una diferencia de potencial entre las capas conductoras. Las señales eléctricas de salida generadas debido a la electrificación por contacto se pueden utilizar para la detección activa de la excitación mecánica externa aplicada a la estructura. Por otro lado, la energía eléctrica generada se puede recolectar y almacenar para potenciar sensores y dispositivos electrónicos.

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Resúmenes técnicos :¿Las características del material limitan las posibles aplicaciones?

Profesor. Amir Alavi :Existe una amplia gama de materiales que se pueden utilizar para fabricar las capas compuestas. Este concepto es la fusión de los conceptos de metamaterial y recolección de energía. La belleza de los metamateriales es que son estructuras artificiales basadas en un diseño geométrico racional y no en la composición química del material. Por lo tanto, puede ajustar el diseño para lograr casi cualquier rendimiento mecánico deseado. El único desafío para nosotros es que tenemos que optimizar varios parámetros relacionados con el diseño y el material en una matriz de material compuesto autoconsciente. Planeamos encargarnos de esto usando modelos computacionales avanzados.

Resúmenes técnicos :¿Puedes llevarme a una aplicación? ¿Cómo funcionaría, digamos, un stent "autoconsciente"?

Profesor. Amir Alavi :Cada año se implantan millones de stents cardiovasculares. La presencia de un stent dentro de una arteria puede conducir a un crecimiento excesivo de tejido arterial que puede causar un nuevo estrechamiento dentro del stent. Esta complicación, conocida como reestenosis intra-stent, puede alcanzar hasta el 50% entre los pacientes con stent. Actualmente existe una gran necesidad de un método rápido, no invasivo y de fácil acceso para detectar la reestenosis intra-stent. Un stent con autodetección, biocompatible y no tóxico puede desplegarse potencialmente para el control continuo de los cambios hemodinámicos locales sobre el crecimiento excesivo de tejido y la reestenosis en el stent. Tenga en cuenta que cualquier nuevo estrechamiento debido a una reestenosis dentro del stent cambiará la señal generada por el stent autoconsciente.

Además, echa un vistazo a esta jaula de fusión intercorporal inteligente para el control de la fusión espinal:

Las jaulas de fusión intersomática se utilizan ampliamente en ortopedia. Nuestra jaula de fusión autoconsciente puede proporcionar información detallada sobre el estado de la columna durante el proceso de curación. Normalmente, las personas lo hacen utilizando métodos de imágenes, como rayos X o tomografías computarizadas, que no solo son inexactos sino también costosos y exponen al paciente a una radiación significativa.

Sin embargo, todos estos son prototipos de prueba de concepto y ahora estamos buscando financiamiento para la traducción clínica.

Resúmenes técnicos :Aparte de las aplicaciones médicas, ¿cómo funcionaría este metamaterial para algo como ¿un puente?

Profesor. Amir Alavi :Puede detectar cualquier daño siguiendo los cambios de los patrones de señal de voltaje. Por ejemplo, las grietas cambian los patrones de deformación y la concentración de tensión que puede detectar una cubierta de puente consciente de sí misma. Cualquier falla podría potencialmente cambiar la señal de una línea de base.

Resúmenes técnicos :¿En qué estás trabajando ahora?

Profesor. Amir Alavi :Probablemente hayas notado la enorme aplicación de esta tecnología. Todo el concepto aún está en pañales y hay mucho por explorar. Primero necesitamos asegurar más fondos para estudiar varios aspectos mecánicos y eléctricos de estos sistemas materiales. También es necesario estudiar el rendimiento a largo plazo de estos dispositivos. Si bien tenemos mucho por hacer en los dominios de ingeniería civil y biomédica, también estamos ampliando nuestra investigación a las aplicaciones de exploración espacial de esta tecnología.

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