自己認識センシング材料はそれ自体に力を与える
インテリジェント構造モニタリングおよび応答テスト（iSMaRT）ラボ ピッツバーグ大学スワンソン工科大学では、新しいクラスの自己認識材料を設計しました。
セルフパワーのメタマテリアルシステムは、事実上、独自のセンサーであり、その構造に対する圧力と応力に関する重要な情報を記録および中継します。 iSMaRTラボを率いる土木および環境工学および生物工学の助教授であるAmirAlavi氏によると、この機能はさまざまなセンシングおよびモニタリングアプリケーションをサポートします。
チームの研究は最近、Nano Energy に掲載されました。 。
「私たちが発明した自己認識型メタマテリアルシステムは、医療用ステント、ショックアブソーバー、飛行機の翼など、高度なメタマテリアルとエネルギーハーベスティング技術をマルチスケールで融合することで、これらの特性を提供できます」とAlavi教授 。
既存の自己検知材料は、検知モジュールとしてさまざまな形態の炭素繊維に依存する複合材料です。対照的に、iSMaRTアプローチには圧力が必要です。
圧力がかかると、材料の導電層と誘電体層の間で接触帯電が発生し、材料の状態に関する情報を中継する電荷が生成されます。この技術に組み込まれた摩擦電気ナノ発電機メカニズムによって生成された電力により、別個の電源が不要になります。これは、発明者による画期的なことです。
「この発明は、多機能性が今大きな注目を集めているメタマテリアル科学のゲームチェンジャーであると信じています」と、Alaviの研究室の筆頭著者兼博士課程の学生であるKavehBarriは述べています
研究者たちは、心臓ステントから橋、さらには宇宙まで、さまざまな民間、航空宇宙、生物医学工学のアプリケーション向けに複数のプロトタイプ設計を作成しました。
「この概念をどのように適応させて、火星以降の固有の材料のみを使用して、構造的に健全な自己動力宇宙の生息地を構築できるか想像してみてください」とAlavi氏は述べています。
Tech Briefs とのQ＆A 以下では、Alavi教授が、この材料の可能な用途について、そして自己認識型の空間構造にどれだけ近いかについて詳しく説明します。
技術概要 ：マテリアルの「自己認識」によって最も恩恵を受ける可能性のあるアプリケーションはどれですか？
教授アミールアラビ ：自己認識材料技術は、航空宇宙、生物医学装置、土木インフラストラクチャ、建設の分野で幅広い用途があると確信しています。セルフパワーおよびセルフセンシングの血管ステントとショックアブソーバーのプロトタイプを作成することで、航空宇宙および生物医学の分野での機能をすでに調査しました。
この技術の最も直接的で有益なアプリケーションは、新世代の生物医学装置を設計することです。このコンセプトの下で、電子機器を組み込むことなく、医療用インプラントをセンサーやナノ発電機に変えることができます。このコンセプトの美しさは、生体適合性、さらには生体吸収性の材料オプションを豊富に提供して、インプラント可能なシステムを製造し、インプラントの機械的特性を調整して目的の性能を実現できることです。
技術概要 ：この「自己認識」テクノロジーが役立つ他の分野はありますか？
教授アミールアラビ ：明らかに、このテクノロジーは、軽量、低コスト、拡張性が高く、機械的に調整可能なスマート構造を設計するために使用できるため、土木インフラストラクチャや建設に大規模なアプリケーションがあります。土木工学では、通常、状態と健康状態を監視するために大量のセンサーが必要なメガストラクチャーを扱っています。これらの高密度センサーネットワークは、大規模な構造での設置と保守が困難です。ここで、合理的な建築設計と構成材料の選択を通じて、構造自体が検知媒体である自己認識メガ構造（橋のような）を想定します。構造物の任意の場所にワイヤーを取り付けるだけで、構造物の状態に関する情報を収集できます。これは、分散型センシングテクノロジーのパラダイムシフトであり、老朽化したインフラストラクチャを継続的に監視するために特に重要です。
技術概要 ：どのアプリケーションがあなたを最も興奮させますか？
教授アミールアラビ ：この技術の最もエキサイティングなアプリケーションは、宇宙探査です。宇宙の生息地を構築するには、固有の材料に頼らなければなりません。このテクノロジーを適応させて、火星以降に初めての自立した生息地を作ることができます。これは、過酷な環境に耐えるだけの強力なスケーラブルなメタマテリアル構造であり、宇宙探査機による測定に基づいて豊富にある火星の土壌の材料を使用して構築されていると思います。自己認識型の宇宙生息地は、風などの振動源を使用して、必要なエネルギーを収穫することができます。同時に、これらの構造は、動作環境に関する情報を収集し、それらの状態を自己監視します。この独自の自己検知および自己監視機能が、自己認識材料が将来の生体構造の基盤を構築すると強く信じている理由です。私たちはすでに宇宙探査アプリケーションのための技術のさまざまな側面に取り組み始めています！
技術概要 ：どのくらいの電力が生成され、その電力はどのように生成されますか？ （アプリケーションをサポートするのに十分なパワーですか？）
教授アミールアラビ ：私たちの自己認識材料システムは、摩擦電気ナノ発電機の優れた機能を自然に継承しています。摩擦電気ナノ発電機は、非常に高い電力密度（> 300 W / m2）を示しています。同じことが自己認識材料にも当てはまります。今のところ、埋め込み型システムの低電力エネルギーハーベスティングに重点を置いていますが、そのような材料システムは、大規模で数百ワットの電力を利用できます。
技術概要 ：メタマテリアルはどのように見えますか？それとそのコンポーネントを視覚化するのを手伝ってもらえますか？強いですか？気分はどうですか？
教授アミールアラビ ：自己認識メタマテリアルは、周期的に組織化された導電層と誘電層のさまざまな層で構成される人工複合材料です。材料は、圧力下で、導電層と誘電体層の間で接触帯電が発生し、材料の状態に関する情報を中継する電荷を生成するように設計されています。
この複合システムの導電層と誘電体層は、摩擦電気シリーズのさまざまな有機および無機材料から選択できます。
材料設計には、荷重下で自己回復動作を提供するスナップセグメントが含まれます。この自己回復メカニズムは、接触分離サイクルを作成し、それに応じて接触電化を作成するのに役立ちます。これにより、静電界と導電層間の電位差が形成されます。接触帯電によって生成された電気出力信号は、構造に適用された外部の機械的励起のアクティブな検知に使用できます。一方、生成された電気エネルギーは、センサーや電子機器に電力を供給するために収集および保存できます。
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技術概要 ：材料の特性により、可能な用途が制限されていますか？
教授アミールアラビ ：複合層の製造に使用できる材料は多岐にわたります。この概念は、メタマテリアルとエネルギーハーベスティングの概念の融合です。メタマテリアルの美しさは、それらが合理的な幾何学的設計に基づく人工構造であり、材料の化学組成ではないことです。したがって、設計を調整して、ほぼすべての望ましい機械的性能を実現できます。私たちにとっての唯一の課題は、複合自己認識材料マトリックスでさまざまな設計および材料関連のパラメータを最適化する必要があることです。高度な計算モデルを使用してこれを処理する予定です。
技術概要 ：私をアプリケーションに連れて行ってもらえますか？たとえば、「自己認識」ステントはどのように機能しますか？
教授アミールアラビ ：毎年何百万もの心臓血管ステントが埋め込まれています。動脈内にステントが存在すると、動脈組織が過剰に成長し、ステント内の狭窄を引き起こす可能性があります。ステント内再狭窄として知られるこの合併症は、ステント留置された患者の間で50％にも達する可能性があります。現在、ステント内再狭窄を検出するための、迅速で、非侵襲的で、簡単にアクセスできる方法が深刻に必要とされています。自己感知、生体適合性、および非毒性の自己認識ステントは、組織の異常増殖およびステント内再狭窄時の局所的な血行力学的変化を継続的に監視するために展開できる可能性があります。ステント内再狭窄による再狭窄は、自己認識ステントによって生成される信号を変更することに注意してください。
また、脊椎固定術のモニタリングのために、このスマートな椎体間固定術ケージをチェックしてください：
椎体間固定ケージは整形外科で広く使用されています。私たちの自己認識フュージョンケージは、治癒過程における脊椎の状態に関する詳細な情報を提供することができます。通常、人々はX線やCTスキャンなどの画像診断法を使用してこれを行いますが、これは不正確であるだけでなく、費用もかかり、患者をかなりの放射線にさらします。
ただし、これらはすべて概念実証のプロトタイプであり、現在、臨床翻訳への資金提供を求めています。
技術概要 ：医療用途を除いて、このメタマテリアルはのようなものに対してどのように機能しますか 橋？
教授アミールアラビ ：電圧信号パターンの変化を追跡することにより、損傷を検出できます。たとえば、亀裂は、自己認識型の橋床版で拾うことができるひずみパターンと応力集中を変化させます。障害が発生すると、信号がベースラインからシフトする可能性があります。
技術概要 ：次に何に取り組んでいますか？
教授アミールアラビ ：あなたはおそらくこの技術の巨大な応用に気づいたでしょう。全体のコンセプトはまだ揺籃期にあり、探求することがたくさんあります。まず、これらの材料システムのさまざまな機械的および電気的側面を研究するために、より多くの資金を確保する必要があります。これらのデバイスの長期的なパフォーマンスも調査する必要があります。生物医学および土木工学の分野でやるべきことはたくさんありますが、この技術の宇宙探査アプリケーションにも研究を拡大しています。
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