Material Sensorizado Autoadhesivo Monitoriza su Propia Salud Estructural

El Laboratorio de Pruebas y Monitoreo de Estructuras Inteligentes (iSMaRT)  de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh ha diseñado una nueva clase de materiales auto-conscientes.

El sistema de metamaterial autoadhesivo es, en efecto, su propio sensor, registrando y transmitiendo información importante sobre presión y tensiones en su estructura. La capacidad soporta una amplia gama de aplicaciones de detección y monitorización, según Amir Alavi, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y bioingeniería, quien lidera el iSMaRT Lab.

La investigación del equipo se publicó recientemente en Nano Energy .

"Los sistemas de metamaterial auto-conscientes que hemos inventado pueden ofrecer estas características fusionando tecnologías avanzadas de metamaterial y cosecha de energía a multiescala, ya sea un stent médico, amortiguador, o ala de avión", dijo Prof. Alavi .

Los materiales auto-sensores existentes son compuestos que dependen de diferentes formas de fibras de carbono como módulos de detección. El enfoque iSMaRT, por contraste, requiere presión.

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

"Creemos que esta invención cambia el juego en ciencia de metamateriales donde multifuncionalidad gana tracción", dijo Kaveh Barri, autor principal y doctorando en laboratorio de Alavi . "Mientras gran parte de esfuerzos actuales se centran en explorar nuevas propiedades mecánicas, vamos un paso más allá introduciendo mecanismos revolucionarios de auto-carga y auto-detección en la estructura de sistemas de materiales."

Los investigadores han creado múltiples diseños de prototipo para variedad de aplicaciones en ingeniería civil, aeroespacial y biomédica, desde stents cardíacos, puentes, hasta espacio.

"Imaginen cómo podemos adaptar este concepto para construir hábitats espaciales estructuralmente sólidos y autoadhesivos usando solo materiales indígenas en Marte y más allá", dijo Alavi.

En entrevista con Tech Briefs abajo, Prof. Alavi explica más sobre aplicaciones posibles del material —y qué tan cerca estamos de estructuras espaciales auto-conscientes.

Tech Briefs: ¿Qué aplicaciones se beneficiarían más de la "auto-conciencia" de un material?

Prof. Amir Alavi: Confío que la tecnología de material auto-consciente tendrá amplia gama de aplicaciones en aeroespacial, dispositivos biomédicos, infraestructura civil y construcción. Ya exploramos capacidades en arena aeroespacial y biomédica via prototipos de stents vasculares autoadhesivos y amortiguadores.

La aplicación más inmediata y beneficiosa es diseñar nueva generación de dispositivos biomédicos. Bajo este concepto, puede transformar implantes médicos en sensores y nanogeneradores sin incorporar electrónica. La belleza del concepto es que da muchas opciones de materiales biocompatibles y biorresorbables para fabricar sistemas implantables y simplemente ajustar propiedades mecánicas para rendimiento deseado.

Tech Briefs: ¿Ve otros campos donde esta tecnología "auto-consciente" será útil?

Prof. Amir Alavi: Obviamente, la tecnología tendrá aplicaciones masivas en infraestructura civil y construcción porque puede usarse para diseñar estructuras inteligentes ligeras, bajo coste, altamente escalables y mecánicamente ajustables. En ingeniería civil, usualmente tratamos megaestructuras donde necesita toneladas de sensores para monitorizar condición y salud. Estas densas redes de sensores son difíciles de instalar y mantener en grandes estructuras. Ahora asuma una megaestructura auto-consciente (como un puente) donde la estructura es medio sensor en sí misma mediante diseño arquitectónico racional y elección de materiales constituyentes. Puede simplemente conectar cables a cualquier punto de la estructura para recopilar información sobre su condición estructural. ¡Esto sería cambio de paradigma en tecnología de detección distribuida, particularmente importante para monitorización continua de nuestra infraestructura envejecida!

Tech Briefs: ¿Qué aplicación le emociona más?

Prof. Amir Alavi: La aplicación más emocionante es exploración espacial, donde debemos confiar en materiales indígenas para construir hábitats espaciales ¡Puede adaptar esta tecnología para crear hábitat autónomo primero en su clase en Marte y más allá! Imagino esto como estructura de metamaterial escalable, lo bastante fuerte para soportar entorno duro y construida meramente con materiales en suelo marciano, que son abundantes según mediciones de nuestras sondas espaciales. El hábitat espacial auto-consciente sería capaz de cosechar energía requerida usando cualquier fuente de vibración allí —digamos, viento. Al mismo tiempo, estas estructuras recopilarían información sobre entorno operativo y auto-monitorizarían su condición. Esta capacidad única de auto-detección y auto-monitorización es por qué creemos firmemente que materiales auto-conscientes construirán cimientos para estructuras vivas futuras. ¡Ya empezamos a trabajar en varios aspectos de nuestra tecnología para aplicaciones de exploración espacial!

Tech Briefs: ¿Cuánta energía genera, y cómo? (¿Suficiente para aplicaciones?)

Prof. Amir Alavi: Nuestros sistemas de material auto-consciente heredan naturalmente características sobresalientes de nanogeneradores triboeléctricos. Estos han mostrado densidad de potencia significativamente alta (>300 W/m2). Lo mismo sería cierto para materiales auto-conscientes. Por ahora, nos centramos en cosecha baja potencia para sistemas embebidos, pero tales sistemas pueden aprovechar cientos de vatios a gran escala.

Tech Briefs: ¿Cómo es el metamaterial? Ayúdenos visualizarlo, componentes. ¿Es fuerte? ¿Cómo se siente?

Prof. Amir Alavi: Un metamaterial auto-consciente es un material compuesto artificial de diferentes capas conductoras y dieléctricas organizadas periódicamente. El material diseña de forma que, bajo presión, electrificación por contacto ocurre entre capas conductoras y dieléctricas, creando carga eléctrica que transmite información sobre condición del material.

Las capas conductoras y dieléctricas en este sistema compuesto pueden elegirse de amplia gama de materiales orgánicos e inorgánicos de la serie triboeléctrica.

El diseño involucra segmentos de chasquido que ofrecen comportamiento auto-recuperable bajo carga. Este mecanismo auto-recuperable ayuda a crear ciclos de contacto-separación y, según, electrificación por contacto. Esto formará campo eléctrico estático y diferencia de potencial entre capas conductoras. Las señales eléctricas generadas por electrificación de contacto pueden usarse para detección activa de excitación mecánica externa aplicada a la estructura. Por otro lado, la energía eléctrica generada puede cosecharse y almacenarse para alimentar sensores y electrónica.

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Tech Briefs: ¿Las características del material limitan aplicaciones posibles?

Prof. Amir Alavi: Hay amplia gama de materiales para fabricar capas compuestas. Este concepto es fusión de conceptos metamaterial y cosecha energía. La belleza de metamateriales es que son estructuras artificiales basadas en diseño geométrico racional no composición química. Puede ajustar diseño para lograr casi cualquier rendimiento mecánico deseado. El único reto es optimizar varios parámetros de diseño y materiales en matriz compuesta auto-consciente. Planeamos encargarnos usando modelos computacionales avanzados.

Tech Briefs: ¿Puede llevarme a una aplicación? ¿Cómo funcionaría, digamos, un stent "auto-consciente"?

Prof. Amir Alavi: Millones de stents cardiovasculares se implantan al año. La presencia de stent en arteria puede llevar a crecimiento excesivo de tejido arterial que causa re-estrechamiento dentro del stent. Esta complicación, re-estenosis intra-stent, puede alcanzar 50% en pacientes con stent. Hay necesidad seria de método rápido, no invasivo, accesible para detectar re-estenosis. Un stent auto-sensor, biocompatible, no tóxico y auto-consciente puede desplegarse para monitorización continua de cambios hemodinámicos locales por sobrecrecimiento tejido y re-estenosis. Nota que cualquier re-estrechamiento por re-estenosis cambiará señal generada por stent auto-consciente.

También vea esta jaula de fusión intervertebral inteligente para monitorización fusión espinal:

Las jaulas de fusión intervertebral se usan ampliamente en ortopedia. Nuestra jaula de fusión auto-consciente da información detallada sobre condición de columna durante curación. Normalmente, gente lo hace con métodos imagen, rayos X o TC, que no solo son imprecisos sino costosos y exponen paciente a radiación significativa.

Sin embargo, son todos prototipos prueba-de-concepto y ahora buscamos financiación para traducción clínica.

Tech Briefs: Aparte de aplicaciones médicas, ¿cómo funcionaría este metamaterial para, digamos, un puente?

Prof. Amir Alavi: Puede detectar daños rastreando cambios en patrones de señal voltaje. Grietas cambian patrones de deformación y concentración tensión que puede captar tablero puente auto-consciente. Cualquier fallo podría cambiar señal desde línea base.

Tech Briefs: ¿En qué trabajan ahora?

Prof. Amir Alavi: Probablemente notó la enorme aplicación de esta tecnología. El concepto entero está en infancia, hay mucho que explorar. Primero necesitamos asegurar más financiación para estudiar varios aspectos mecánicos y eléctricos de estos sistemas. Rendimiento largo plazo necesita estudio. Mientras tenemos mucho en biomédico e ingeniería civil, también expandimos investigación a aplicaciones de exploración espacial.

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