具有自我意识的生活结构材料

从最大的桥梁到最小的医疗设备植入物，传感器是无处不在的，而且有充分的理由:在变化成为问题之前感知和监测的能力可以节省成本和拯救生命。

为了更好地解决这些潜在的威胁，匹兹堡大学斯旺森工程学院的智能结构监测和响应测试(iSMaRT)实验室设计了一种新型的材料它们既是传感介质，又是纳米发电机，将给大大小小的多功能材料技术带来革命性的变化。

该研究描述了一种新的超材料系统，它作为自己的传感器，记录和传递结构上的压力和应力的重要信息。这种所谓的“自我意识超材料”可以产生自己的能量，可以被广泛用于传感和传感领域监控应用程序。

这项工作最具创新性的方面是它的可扩展性:同样的设计可以在纳米尺度和超大尺度上工作，只需调整设计的几何形状。

“毫无疑问，下一代材料需要具有多功能、适应性和可调性，”土木、环境工程和生物工程助理教授阿米尔·阿拉维(Amir Alavi)说，他领导着iSMaRT实验室。“单靠天然材料是无法实现这些功能的，你需要混合或复合材料系统，每个组成层都有自己的功能。我们发明的这种具有自我意识的超材料系统可以通过融合先进的超材料和能量收集技术，在多尺度上提供这些特性，无论是医用支架、减震器还是飞机机翼。”

虽然几乎所有现有的自感应材料都是复合材料，它们依赖于不同形式的碳纤维作为感应模块，但这个新概念提供了一种完全不同的、但高效的方法来创建传感器和纳米发电机材料系统。提出的概念依赖于材料微结构的性能定制设计和组装。

这种材料的设计是这样的，在压力下，导电层和介电层之间会发生接触电气化，产生一种电荷，传递有关材料状况的信息。此外，它自然继承了超材料优异的力学性能，如负压缩性和超高的抗变形能力。内置的摩擦电纳米发电机机制产生的能量无需单独的电源:这种材料系统可以大规模利用数百瓦的能量。

游戏规则改变者——从人类心脏到太空栖息地

“我们相信这项发明是超材料科学的游戏规则改变者，在超材料科学中，多功能现在获得了很多关注，”Alavi实验室的主要作者和博士生Kaveh Barri说。“虽然目前在这一领域的大部分努力只是在探索新的力学性能，但我们将在材料系统的结构中引入革命性的自我充电和自我感知机制，从而向前迈进了一步。”

“我们最令人兴奋的贡献是，我们正在将智能的新方面融入到超材料的结构中。在这个概念下，我们可以将任何材料系统转化为传感介质和纳米发电机，”Alavi实验室的博士生兼联合第一作者Gloria Zhang补充道。

研究人员已经为各种民用、航空和生物医学工程应用创造了多种原型设计。在更小的范围内，使用这种设计的心脏支架可以用于监测血流和检测再狭窄或动脉再狭窄的迹象。同样的设计也在更大的规模上被用于制造一种机械可调的梁，这种梁适合于桥梁，可以自我监测其结构上的缺陷。

这些材料在地球之外也有巨大的潜力。一种具有自我意识的材料既不使用碳纤维也不使用线圈;它质量轻，密度低，成本低，可扩展性强，可以用多种有机和无机材料制造。这些特性使它们成为未来太空探索的理想选择。

“为了充分理解这项技术的巨大潜力，想象一下我们如何利用这一概念，仅使用火星和其他地方的本土材料，建造结构合理的自供电太空栖息地。”事实上，我们现在正在研究这个问题。”“在这个概念下，你可以创建纳米、微观、宏观和超大尺度的材料系统。这就是为什么我相信这项发明可以为新一代的工程生活结构奠定基础，这种结构可以对外界刺激做出反应，自我监测自身状况，并为自己提供动力。”

这项研究发表在纳米能量．