具有自我意识的材料为生命结构奠定了基础

从最大的桥梁到最小的医疗植入物，传感器无处不在，这是有充分理由的：在变化成为问题之前感知和监控变化的能力既可以节省成本又可以挽救生命。为了更好地应对这些潜在威胁，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) 实验室设计了一类新型材料，既是传感介质又是纳米发电机，并准备彻底改变多功能材料技术大大小小的。

最近发表在《纳米能源》上的这项研究描述了一种新的超材料系统，它充当自己的传感器，记录和传递有关其结构上的压力和应力的重要信息。所谓的“自我意识超材料”产生自己的能量，可用于广泛的传感和监测应用。

这项工作最具创新性的方面是其可扩展性：只需定制设计几何形状，即可在纳米级和兆级上使用相同的设计。

“毫无疑问，下一代材料需要多功能、自适应和可调。” 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 说。“仅靠天然材料无法实现这些功能——您需要混合或复合材料系统，其中每个组成层都提供自己的功能。我们发明的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多尺度的能量收集技术，无论是医疗支架、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依赖于不同形式的碳纤维作为感应模块的复合材料，但这一新概念提供了一种完全不同但有效的方法来创建传感器和纳米发电机材料系统。所提出的概念依赖于材料微结构的性能定制设计和组装。

该材料的设计使得在压力下，其导电层和介电层之间发生接触带电，产生电荷，传递有关材料状况的信息。此外，它自然地继承了超材料的卓越机械性能，如负压缩性和超高抗变形能力。其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：这种材料系统可以大规模利用数百瓦的电力。

从人类心脏到太空栖息地的“游戏规则改变者”

“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。“虽然目前该领域的大部分努力只是探索新的机械性能，但我们正在通过将革命性的自充电和自感应机制引入材料系统的结构而更进一步。”

“我们最激动人心的贡献是我们正在将智能的新方面设计到超材料的纹理中。在这个概念下，我们可以将任何材料系统转换成传感介质和纳米发电机，”Alavi 的共同主要作者和博士生 Gloria Zhang 补充道。实验室。

研究人员已经为各种土木、航空航天和生物医学工程应用创建了多个原型设计。在较小的范围内，使用这种设计的心脏支架可用于监测血流并检测再狭窄或动脉重新变窄的迹象。同样的设计也被用于更大规模的机械可调梁，适用于可以自我监测其结构缺陷的桥梁。

这些材料在地球之外也具有巨大的潜力。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、高度可扩展，并且可以使用多种有机和无机材料制造。这些品质使它们成为未来太空探索的理想选择。

“为了充分了解这项技术的巨大潜力，想象一下我们如何适应这一概念，仅使用火星及其他地区的本土材料来建造结构合理的自供电太空栖息地。我们现在实际上正在研究这一点，”阿拉维说. “在这个概念下，你可以创建纳米、微米、宏观和兆级材料系统。这就是为什么我相信这项发明可以为响应外部刺激的新一代工程生命结构奠定基础，自我监控他们的状况，并为自己供电。”

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