Le matériau de détection autonome s'autoalimente

Laboratoire iSMaRT (Intelligent Structural Monitoring and Response Testing) à l'Université de Pittsburgh Swanson School of Engineering a conçu une nouvelle classe de matériaux auto-conscients.

Le système de métamatériaux auto-alimenté est, en effet, son propre capteur, enregistrant et relayant des informations importantes sur la pression et les contraintes exercées sur sa structure. La capacité prend en charge un large éventail d'applications de détection et de surveillance, selon Amir Alavi, professeur adjoint de génie civil et environnemental et de bio-ingénierie, qui dirige le laboratoire iSMaRT.

Les recherches de l'équipe ont récemment été publiées dans Nano Energy .

"Les systèmes de métamatériaux auto-conscients que nous avons inventés peuvent offrir ces caractéristiques en fusionnant des technologies avancées de métamatériaux et de récupération d'énergie à plusieurs échelles, qu'il s'agisse d'un stent médical, d'un amortisseur ou d'une aile d'avion", a déclaré le professeur Alavi .

Les matériaux auto-détecteurs existants sont des composites qui reposent sur différentes formes de fibres de carbone en tant que modules de détection. L'approche iSMART, en revanche, nécessite de la pression.

Avec la pression, une électrification de contact se produit entre les couches conductrices et diélectriques du matériau, créant une charge électrique qui transmet des informations sur l'état du matériau. La puissance générée par le mécanisme de nanogénérateur triboélectrique intégré à la technologie élimine le besoin d'une source d'alimentation séparée - une percée selon les inventeurs.

"Nous pensons que cette invention change la donne dans la science des métamatériaux où la multifonctionnalité gagne maintenant beaucoup de terrain", a déclaré Kaveh Barri, auteur principal et doctorant au laboratoire d'Alavi . "Alors qu'une partie substantielle des efforts actuels dans ce domaine a simplement consisté à explorer de nouvelles propriétés mécaniques, nous allons encore plus loin en introduisant des mécanismes révolutionnaires d'auto-charge et d'auto-détection dans le tissu des systèmes de matériaux."

Les chercheurs ont créé plusieurs conceptions de prototypes pour une variété d'applications d'ingénierie civile, aérospatiale et biomédicale, des stents cardiaques aux ponts, en passant par l'espace.

"Imaginez comment nous pouvons même adapter ce concept pour construire des habitats spatiaux auto-alimentés structurellement sains en utilisant uniquement des matériaux indigènes sur Mars et au-delà", a déclaré Alavi.

Dans une session de questions-réponses avec Tech Briefs ci-dessous, le professeur Alavi explique plus en détail les applications possibles du matériau - et à quel point nous sommes proches des structures spatiales conscientes d'elles-mêmes.

Fiches techniques :Quelles applications pourraient bénéficier le plus de la "conscience de soi" d'un matériau ?

Prof. Amir Alavi :Je suis convaincu que la technologie des matériaux auto-conscients aura un large éventail d'applications dans les domaines de l'aérospatiale, des dispositifs biomédicaux, des infrastructures civiles et de la construction. Nous avons déjà exploré leurs capacités dans les domaines aérospatial et biomédical via le prototypage de stents et d'amortisseurs de vaisseaux sanguins auto-alimentés et auto-détectés.

L'application la plus immédiate et la plus bénéfique de cette technologie est la conception d'une nouvelle génération de dispositifs biomédicaux. Selon ce concept, vous pouvez transformer les implants médicaux en capteurs et nanogénérateurs sans avoir à incorporer d'électronique. La beauté du concept est qu'il offre aux gens de nombreuses options de matériaux biocompatibles et même biorésorbables pour fabriquer leurs systèmes implantables et ajuster simplement les propriétés mécaniques des implants pour obtenir les performances souhaitées.

Fiches techniques :Voyez-vous d'autres domaines où cette technologie "auto-consciente" sera utile ?

Prof. Amir Alavi  :De toute évidence, la technologie aura des applications massives dans les infrastructures civiles et la construction, car vous pouvez l'utiliser pour concevoir des structures intelligentes légères, peu coûteuses, hautement évolutives et réglables mécaniquement. En génie civil, nous avons généralement affaire à des mégastructures où vous avez besoin de tonnes de capteurs pour surveiller leur état et leur santé. Ces réseaux de capteurs denses sont difficiles à installer et à entretenir dans des structures à grande échelle. Supposons maintenant une méga structure consciente d'elle-même (comme un pont) où la structure est elle-même un moyen de détection grâce à une conception architecturale rationnelle et au choix des matériaux constitutifs. Vous pouvez simplement attacher des fils à n'importe quel point de la structure pour collecter des informations sur son état structurel. Ce serait un changement de paradigme dans la technologie de détection distribuée, qui est particulièrement importante pour la surveillance continue de notre infrastructure vieillissante !

Fiches techniques  :Quelle application vous passionne le plus ?

Prof. Amir Alavi :L'application la plus excitante de la technologie est l'exploration spatiale, où nous devons compter sur des matériaux indigènes pour construire des habitats spatiaux ! Vous pouvez adapter cette technologie pour créer un habitat autonome unique en son genre sur Mars et au-delà. J'envisage cela comme une structure métamatérielle évolutive suffisamment solide pour résister à un environnement hostile et construite simplement à l'aide de matériaux du sol martien, qui sont nombreux sur la base des mesures prises par nos sondes spatiales ! L'habitat spatial conscient de lui-même serait capable de récolter l'énergie requise en utilisant n'importe quelle source de vibration, par exemple le vent. Dans le même temps, ces structures collecteront des informations sur l'environnement d'exploitation et autocontrôleront leur état. Cette capacité unique d'auto-détection et d'auto-surveillance est la raison pour laquelle nous croyons fermement que les matériaux auto-conscients constitueront la base des futures structures vivantes. Nous avons déjà commencé à travailler sur divers aspects de notre technologie pour les applications d'exploration spatiale !

Fiches techniques :Quelle quantité d'énergie est générée et comment cette énergie est-elle générée ? (La puissance est-elle suffisante pour prendre en charge les applications ?)

Prof. Amir Alavi :Nos systèmes de matériaux auto-conscients héritent naturellement des caractéristiques exceptionnelles des nanogénérateurs triboélectriques. Les nanogénérateurs triboélectriques ont montré une densité de puissance significativement élevée (>300 W/m2). Il en serait de même pour les matériaux conscients de soi. Pour l'instant, nous nous concentrons sur la récupération d'énergie à faible consommation d'énergie pour les systèmes intégrables, mais de tels systèmes matériels peuvent exploiter des centaines de watts de puissance à grande échelle.

Fiches techniques :A quoi ressemble le métamatériau ? Pouvez-vous nous aider à le visualiser, ainsi que ses composants ? Est-ce fort ? Comment vous sentez-vous ?

Prof. Amir Alavi :Un métamatériau conscient de soi est un matériau composite artificiel composé de différentes couches de couches conductrices et diélectriques organisées de manière périodique. Le matériau est conçu de telle sorte que, sous pression, une électrification de contact se produit entre ses couches conductrices et diélectriques, créant une charge électrique qui transmet des informations sur l'état du matériau.

Les couches conductrices et diélectriques de ce système composite peuvent être choisies parmi une large gamme de matériaux organiques et inorganiques de la série triboélectrique.

La conception du matériau implique des segments d'accrochage qui offrent un comportement d'auto-récupération sous chargement. Ce mécanisme d'auto-récupération aide à créer des cycles de séparation des contacts et, par conséquent, une électrification des contacts. Cela formera un champ électrique statique et une différence de potentiel entre les couches conductrices. Les signaux de sortie électriques générés en raison de l'électrification par contact peuvent être utilisés pour la détection active de l'excitation mécanique externe appliquée à la structure. D'autre part, l'énergie électrique générée peut être récupérée et stockée pour alimenter les capteurs et l'électronique.

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Fiches techniques :Les caractéristiques du matériau limitent-elles les applications possibles ?

Prof. Amir Alavi :Il existe une large gamme de matériaux pouvant être utilisés pour fabriquer les couches composites. Ce concept est la fusion des concepts de métamatériau et de récupération d'énergie. La beauté des métamatériaux réside dans le fait qu'il s'agit de structures artificielles basées sur une conception géométrique rationnelle et non sur la composition chimique du matériau. Ainsi, vous pouvez ajuster la conception pour obtenir presque toutes les performances mécaniques souhaitées. Le seul défi pour nous est que nous devons optimiser divers paramètres de conception et de matériaux dans une matrice de matériaux composites auto-conscients. Nous prévoyons de nous en occuper en utilisant des modèles de calcul avancés.

Fiches techniques :Pouvez-vous m'introduire dans une candidature ? Comment, par exemple, fonctionnerait un stent "auto-conscient" ?

Prof. Amir Alavi :Des millions de stents cardiovasculaires sont implantés chaque année. La présence d'un stent dans une artère peut entraîner une croissance excessive du tissu artériel qui peut provoquer un rétrécissement à l'intérieur du stent. Cette complication, connue sous le nom de resténose intra-stent, peut atteindre jusqu'à 50 % chez les patients porteurs d'un stent. Il existe actuellement un besoin sérieux d'un procédé rapide, non invasif et facilement accessible pour détecter la resténose intra-stent. Un stent auto-détectant, biocompatible et non toxique auto-conscient peut être potentiellement déployé pour la surveillance continue des changements hémodynamiques locaux lors de la prolifération tissulaire et de la resténose intra-stent. Notez que tout rétrécissement dû à une resténose intra-stent modifiera le signal généré par le stent autonome.

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Les cages de fusion intersomatique sont largement utilisées en orthopédie. Notre cage de fusion auto-consciente peut donner des informations détaillées sur l'état de la colonne vertébrale pendant le processus de guérison. Normalement, les gens le font en utilisant des méthodes d'imagerie, comme les rayons X ou les tomodensitogrammes, qui sont non seulement imprécises mais également coûteuses et exposent le patient à des radiations importantes.

Cependant, ce sont tous des prototypes de preuve de concept et nous recherchons maintenant un financement pour la traduction clinique.

Fiches techniques  :En dehors des applications médicales, comment ce métamatériau fonctionnerait-il pour quelque chose comme un pont ?

Prof. Amir Alavi :Vous pouvez détecter tout dommage en suivant les changements des modèles de signal de tension. Par exemple, les fissures modifient les schémas de déformation et la concentration des contraintes qui peuvent être captées par un tablier de pont autonome. Toute défaillance pourrait potentiellement décaler le signal d'une ligne de base.

Fiches techniques  :Sur quoi travaillez-vous ensuite ?

Prof. Amir Alavi :Vous avez probablement remarqué l'énorme application de cette technologie. L'ensemble du concept en est encore à ses balbutiements et il y a beaucoup à explorer. Nous devons d'abord obtenir plus de financement pour étudier divers aspects mécaniques et électriques de ces systèmes matériels. Les performances à long terme de ces dispositifs doivent également être étudiées. Bien que nous ayons beaucoup à faire dans les domaines du biomédical et du génie civil, nous élargissons également nos recherches aux applications d'exploration spatiale de cette technologie.

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