具有自我意识的传感材料为自己提供动力

智能结构监控和响应测试 (iSMaRT) 实验室 匹兹堡大学斯旺森工程学院设计了一类新的自我意识材料。

自供电超材料系统实际上是它自己的传感器，记录和传递有关其结构上的压力和应力的重要信息。 iSMaRT 实验室负责人、土木与环境工程和生物工程助理教授 Amir Alavi 表示，该功能支持广泛的传感和监控应用。

该团队的研究最近发表在 Nano Energy .

“我们发明的具有自我意识的超材料系统可以通过在多尺度上融合先进的超材料和能量收集技术来提供这些特性，无论是医疗支架、减震器还是飞机机翼，”Alavi 教授说 .

现有的自传感材料是依赖于不同形式的碳纤维作为传感模块的复合材料。相比之下，iSMaRT 方法需要压力。

在压力作用下，材料的导电层和介电层之间会发生接触起电，从而产生电荷，传递有关材料状况的信息。该技术的内置摩擦纳米发电机机制产生的电力消除了对单独电源的需求——发明者认为这是一项突破。

“我们相信这项发明是超材料科学的游戏规则改变者，多功能性现在获得了很大的关注，”Alavi 实验室的主要作者和博士生 Kaveh Barri 说 . “虽然目前该领域的很大一部分努力只是探索新的机械性能，但我们将更进一步，将革命性的自充电和自传感机制引入材料系统的结构中。”

研究人员为各种民用、航空航天和生物医学工程应用创建了多个原型设计，从心脏支架到桥梁，甚至是太空。

“想象一下，我们甚至可以如何调整这一概念，以仅使用火星及其他地方的本土材料来建造结构合理的自供电太空栖息地，”Alavi 说。

在与技术简介的问答中 下面，Alavi 教授详细解释了这种材料的可能应用——以及我们离具有自我意识的空间结构有多近。

技术简介 :材料的“自我意识”可以使哪些应用受益最大？

教授。阿米尔·阿拉维 ：我相信自知材料技术将在航空航天、生物医疗器械、民用基础设施、建筑等领域有广泛的应用。我们已经通过原型设计自供电和自感应血管支架和减震器，探索了它们在航空航天和生物医学领域的能力。

该技术最直接和最有益的应用是设计新一代生物医学设备。在这个概念下，您可以将医疗植入物转变为传感器和纳米发电机，而无需集成任何电子设备。这个概念的美妙之处在于，它为人们提供了大量的生物相容性甚至可生物吸收材料选择来制造他们的植入系统，并简单地调整植入物的机械性能以获得所需的性能。

技术简介 ：您认为这种“自我意识”技术在其他领域会有用吗？

教授。阿米尔·阿拉维 ：显然，该技术将在土木基础设施和建筑中得到大量应用，因为您可以使用它来设计质量轻、成本低、高度可扩展和机械可调的智能结构。在土木工程中，我们通常处理需要大量传感器来监测其状况和健康状况的大型结构。这些密集的传感器网络难以在大型结构中安装和维护。现在假设一个具有自我意识的巨型结构（如一座桥梁），通过合理的建筑设计和组成材料的选择，该结构本身就是一种传感介质。您可以简单地将电线连接到结构上的任何点，以收集有关其结构状况的信息。这将是分布式传感技术的范式转变，这对于持续监测我们老化的基础设施尤为重要！

技术简介 :哪个应用程序最让您兴奋？

教授。阿米尔·阿拉维 ：科技最令人兴奋的应用是太空探索，我们必须依靠本土材料来建造太空栖息地！您可以调整这项技术，在火星及更远的地方创造一个首创的、自我维持的栖息地。我将其设想为一种可扩展的超材料结构，其强度足以承受恶劣的环境，并且仅使用火星土壤中的材料建造，根据我们的太空探测器进行的测量，这些材料非常丰富！具有自我意识的太空栖息地将能够使用那里的任何振动源（例如风）来收集所需的能量。同时，这些结构将收集有关操作环境的信息并自我监控其状况。这种独特的自我感知和自我监控能力是我们坚信自我感知材料将为未来生活结构奠定基础的原因。我们已经开始研究太空探索应用技术的各个方面！

技术简介 :发电量是多少，是怎么产生的？ （是否足够支持应用程序？）

教授。阿米尔·阿拉维 ：我们的自我意识材料系统自然继承了摩擦纳米发电机的突出特点。摩擦纳米发电机已显示出非常高的功率密度（>300 W/m2）。具有自我意识的材料也是如此。目前，我们专注于嵌入式系统的低功率能量收集，但这种材料系统可以大规模利用数百瓦的功率。

技术简介 :超材料是什么样的？你能帮我们把它和它的组件可视化吗？强吗？感觉如何？

教授。阿米尔·阿拉维 :具有自我意识的超材料是一种人造复合材料，由不同层的导电层和介电层组成，这些层以周期性的方式组织起来。该材料的设计使得在压力下，其导电层和介电层之间会发生接触起电，从而产生电荷，从而传递有关材料状况的信息。

该复合体系中的导电层和介电层可以从摩擦电系列的有机和无机材料中选择。

材料设计涉及在负载下提供自恢复行为的捕捉片段。这种自恢复机制有助于产生接触分离循环，从而产生接触带电。这将在导电层之间形成静电场和电位差。由于接触起电而产生的电输出信号可用于主动感测施加到结构上的外部机械激励。另一方面，产生的电能可以被收集和存储，以增强传感器和电子设备的能力。

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技术简介 ：材料的特性是否限制了可能的应用？

教授。阿米尔·阿拉维 ：有多种材料可用于制造复合层。这个概念是超材料和能量收集概念的融合。超材料的美妙之处在于它们是基于合理几何设计而不是材料化学成分的人造结构。因此，您可以调整设计以实现几乎任何所需的机械性能。对我们来说唯一的挑战是我们必须在复合材料自我感知材料基体中优化各种设计和材料相关参数。我们计划使用高级计算模型来解决这个问题。

技术简介 :你能带我去申请吗？比如说，“自我意识”支架如何工作？

教授。阿米尔·阿拉维 ：每年植入数百万个心血管支架。动脉内支架的存在可导致动脉组织过度生长，这可能导致支架内再狭窄。这种称为支架内再狭窄的并发症在支架患者中可高达 50%。目前迫切需要一种快速、无创且易于获得的方法来检测支架内再狭窄。一种自我感知、生物相容和无毒的自我感知支架可以潜在地用于持续监测组织过度生长和支架内再狭窄时的局部血流动力学变化。请注意，由于支架内再狭窄导致的任何再狭窄都会改变自我感知支架产生的信号。

另外，看看这个用于脊柱融合监测的智能椎间融合器：

椎间融合器广泛用于骨科。我们的自我意识融合笼可以在愈合过程中提供有关脊柱状况的详细信息。通常，人们使用 X 射线或 CT 扫描等成像方法进行检查，这些方法不仅不准确，而且成本高昂，并且会使患者受到大量辐射。

然而，这些都是概念验证原型，我们现在正在为临床翻译寻求资金。

技术简介 ：除了医疗应用之外，这种超材料将如何用于类似 的领域 一座桥？

教授。阿米尔·阿拉维 ：您可以通过跟踪电压信号模式的变化来检测任何损坏。例如，裂缝会改变应变模式和应力集中，而这些应变模式和应力集中可以被具有自我意识的桥面吸收。任何故障都可能使信号偏离基线。

技术简介 :你接下来要做什么？

教授。阿米尔·阿拉维 :您可能已经注意到这项技术的巨大应用。整个概念还处于起步阶段，还有很多需要探索的地方。我们首先需要获得更多资金来研究这些材料系统的各种机械和电气方面。这些设备的长期性能也需要研究。虽然我们在生物医学和土木工程领域有很多工作要做，但我们也在将研究扩展到这项技术的太空探索应用。

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