자기 인식 감지 재료는 스스로를 강화합니다.

iSMaRT(Intelligent Structural Monitoring and Response Testing) 연구실 University of Pittsburgh Swanson School of Engineering은 새로운 차원의 자기 인식 자료를 설계했습니다.

자체 전원을 공급하는 메타물질 시스템은 사실상 자체 센서로서 구조에 대한 압력과 응력에 대한 중요한 정보를 기록하고 전달합니다. iSMaRT Lab을 이끌고 있는 토목 및 환경 공학 및 생명 공학 조교수인 Amir Alavi에 따르면 이 기능은 다양한 감지 및 모니터링 응용 프로그램을 지원합니다.

팀의 연구는 최근 Nano Energy 에 게재되었습니다. .

Alavi 교수는 "우리가 발명한 자가 인식 메타물질 시스템은 의료용 스텐트, 충격 흡수 장치, 비행기 날개 등 다양한 규모의 첨단 메타물질 및 에너지 수확 기술을 융합하여 이러한 특성을 제공할 수 있습니다."라고 말했습니다. "유행 fa-external-link fa-sm"> .

기존의 자체 감지 재료는 감지 모듈로 탄소 섬유의 다양한 형태에 의존하는 복합 재료입니다. 이와 대조적으로 iSMaRT 접근 방식에는 압력이 필요합니다.

압력을 가하면 재료의 전도층과 유전층 사이에 접촉 대전이 발생하여 재료의 상태에 대한 정보를 전달하는 전하를 생성합니다. 이 기술에 내장된 마찰전기 나노발전기 메커니즘에 의해 생성된 전력은 별도의 전원이 필요하지 않습니다. 이는 발명가에 따르면 획기적인 것입니다.

Alavi의 연구실 . "이 분야에서 현재 노력의 상당 부분이 단지 새로운 기계적 특성을 탐구하는 데에만 집중되어 있지만, 우리는 한 단계 더 나아가 혁신적인 자가 충전 및 자가 감지 메커니즘을 직물 시스템에 도입함으로써 한 단계 더 나아가고 있습니다."

연구원들은 심장 스텐트에서 교량, 심지어 우주에 이르기까지 다양한 토목, 항공 우주 및 생물 의학 공학 응용 분야를 위한 여러 프로토타입 디자인을 만들었습니다.

Alavi는 "이 개념을 화성과 그 너머의 토착 재료만을 사용하여 구조적으로 건전한 자체 동력 우주 서식지를 구축하기 위해 어떻게 적용할 수 있는지 상상해 보세요."라고 말했습니다.

기술 요약이 포함된 Q&A 아래에서 Alavi 교수는 재료의 가능한 응용 프로그램에 대해 자세히 설명하고 우리가 자기 인식 공간 구조에 얼마나 가까운지 설명합니다.

기술 개요 :소재의 '자기인식'이 가장 큰 혜택을 줄 수 있는 애플리케이션은 무엇인가요?

교수. 아미르 알라비 :자기인식 소재기술이 항공우주, 바이오의료기기, 토목기반시설, 건설 등 다양한 분야에 응용될 것으로 확신합니다. 우리는 자체 전원 공급 및 자체 감지 혈관 스텐트 및 충격 흡수 장치의 프로토타입 제작을 통해 이미 항공우주 및 생물의학 분야에서 이들의 능력을 탐구했습니다.

이 기술의 가장 즉각적이고 유익한 적용은 차세대 생체의학 장치를 설계하는 것입니다. 이 개념에 따라 전자 장치를 통합하지 않고도 의료용 임플란트를 센서 및 나노 발전기로 변환할 수 있습니다. 이 개념의 장점은 사람들에게 이식 가능한 시스템을 제작하고 원하는 성능을 위해 임플란트의 기계적 특성을 간단히 조정할 수 있는 생체 적합성 및 생체 흡수성 재료 옵션을 충분히 제공한다는 것입니다.

기술 개요 :이 "자기 인식" 기술이 유용할 다른 분야가 있습니까?

교수. 아미르 알라비 :분명히, 이 기술은 질량이 가볍고 비용이 저렴하고 확장성이 뛰어나고 기계적으로 조정 가능한 스마트 구조를 설계하는 데 사용할 수 있기 때문에 토목 기반 시설 및 건설 분야에서 방대한 응용 분야를 가질 것입니다. 토목 공학에서 우리는 일반적으로 상태와 건강을 모니터링하기 위해 수많은 센서가 필요한 초대형 구조물을 다루고 있습니다. 이러한 조밀한 센서 네트워크는 대규모 구조에 설치 및 유지 관리가 어렵습니다. 이제 합리적인 건축 설계와 구성 재료 선택을 통해 구조 자체가 감지 매체인 자기 인식 메가 구조(다리와 같은)를 가정합니다. 구조물의 임의 지점에 와이어를 부착하기만 하면 구조물의 상태에 대한 정보를 수집할 수 있습니다. 이는 노후화된 인프라를 지속적으로 모니터링하는 데 특히 중요한 분산 감지 기술의 패러다임 전환이 될 것입니다!

기술 개요 :어떤 애플리케이션이 가장 마음에 듭니까?

교수. 아미르 알라비 :이 기술의 가장 흥미진진한 응용은 우주 탐사로, 우주 서식지를 건설하기 위해 토착 재료에 의존해야 합니다! 이 기술을 적용하여 화성과 그 너머에 최초의 자급자족 서식지를 만들 수 있습니다. 나는 이것을 가혹한 환경을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강한 확장 가능한 메타물질 구조로 생각하고 있으며, 우리의 우주 탐사선이 측정한 값에 기초하여 풍부한 화성 토양의 물질을 사용하여 건설되었습니다! 자가 인식 우주 서식지는 바람과 같은 진동원을 사용하여 필요한 에너지를 수확할 수 있습니다. 동시에 이러한 구조는 작동 환경에 대한 정보를 수집하고 상태를 자체 모니터링합니다. 이 독특한 자가 감지 및 자가 모니터링 기능은 자가 인식 재료가 미래의 생활 구조를 위한 기반을 구축할 것이라고 굳게 믿는 이유입니다. 우리는 이미 우주 탐사 응용을 위한 우리 기술의 다양한 측면에 대한 작업을 시작했습니다!

기술 개요 :얼마나 많은 전력이 생성되고, 그 전력은 어떻게 생성되나요? (응용 프로그램을 지원하기에 충분한 전력입니까?)

교수. 아미르 알라비 :자가 인식 소재 시스템은 마찰전기 나노발전기의 뛰어난 특성을 자연스럽게 계승합니다. 마찰전기 나노발전기는 상당히 높은 전력 밀도(>300 W/m2)를 보여주었습니다. 자기 인식 자료의 경우에도 마찬가지입니다. 현재로서는 내장형 시스템을 위한 저전력 에너지 수확에 중점을 두고 있지만 그러한 재료 시스템은 대규모로 수백 와트의 전력을 활용할 수 있습니다.

기술 개요 :메타물질은 어떻게 생겼나요? 우리가 그것을 시각화하는 데 도움을 줄 수 있습니까? 강한가요? 어떤 느낌인가요?

교수. 아미르 알라비 :자가 인식 메타물질은 전도성과 유전층이 서로 다른 층으로 구성되어 주기적으로 조직된 인공 복합 물질입니다. 이 물질은 압력 하에서 전도층과 유전층 사이에 접촉 대전이 일어나 물질의 상태에 대한 정보를 전달하는 전하를 생성하도록 설계되었습니다.

이 복합 시스템의 전도성 및 유전층은 마찰전기 시리즈의 광범위한 유기 및 무기 재료에서 선택할 수 있습니다.

재료 설계에는 하중 시 자동 복구 동작을 제공하는 스냅 세그먼트가 포함됩니다. 이 자가 복구 메커니즘은 접촉 분리 주기를 생성하고 이에 따라 접촉 대전을 발생시키는 데 도움이 됩니다. 이것은 전도성 층 사이에 정전기장과 전위차를 형성합니다. 접촉 대전으로 인해 생성된 전기 출력 신호는 구조에 적용된 외부 기계적 여기의 능동 감지에 사용할 수 있습니다. 반면에 생성된 전기 에너지는 수집 및 저장하여 센서와 전자 장치에 전력을 공급할 수 있습니다.

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기술 개요 :재료의 특성이 가능한 응용을 제한합니까?

교수. 아미르 알라비 :복합층 제작에 사용할 수 있는 재료는 매우 다양합니다. 이 개념은 메타물질과 에너지 수확 개념의 융합입니다. 메타물질의 장점은 물질의 화학적 조성이 아닌 합리적인 기하학적 설계에 기반한 인공구조물이라는 점이다. 따라서 원하는 거의 모든 기계적 성능을 달성하도록 설계를 조정할 수 있습니다. 우리에게 유일한 과제는 합성 자체 인식 재료 매트릭스에서 다양한 설계 및 재료 관련 매개변수를 최적화해야 한다는 것입니다. 고급 계산 모델을 사용하여 이를 처리할 계획입니다.

기술 개요 :저를 지원서에 데려다 주실 수 있습니까? 예를 들어 "자가 인식" 스텐트는 어떻게 작동할까요?

교수. 아미르 알라비 :매년 수백만 개의 심혈관 스텐트가 이식됩니다. 동맥 내에 스텐트가 있으면 동맥 조직이 과도하게 성장하여 스텐트 내에서 재협착을 일으킬 수 있습니다. 스텐트 내 재협착으로 알려진 이 합병증은 스텐트 삽입 환자의 50%에 이를 수 있습니다. 현재 스텐트 내 재협착을 검출하기 위한 신속하고 비침습적이며 쉽게 접근할 수 있는 방법에 대한 심각한 요구가 있습니다. 자가 감지, 생체 적합성, 무독성 자가 인식 스텐트는 조직 과성장 및 스텐트 내 재협착 시 국소 혈역학적 변화를 지속적으로 모니터링하기 위해 잠재적으로 배치될 수 있습니다. 스텐트 내 재협착으로 인한 모든 재협착은 자가 인식 스텐트에 의해 생성된 신호를 변경합니다.

또한 척추 융합 모니터링을 위한 이 스마트 체간 융합 케이지를 확인하십시오.

체간 융합 케이지는 정형 외과에서 널리 사용됩니다. 자가 인식 융합 케이지는 치유 과정에서 척추의 상태에 대한 자세한 정보를 제공할 수 있습니다. 일반적으로 사람들은 부정확할 뿐만 아니라 비용이 많이 들고 상당한 방사선에 환자를 노출시키는 X선이나 CT 스캔과 같은 영상 방법을 사용합니다.

그러나 이들은 모두 개념 증명 프로토타입이며 현재 임상 번역을 위한 자금을 찾고 있습니다.

기술 요약 :의료 용도 외에 이 메타물질은 다리?

교수. 아미르 알라비 :전압 신호 패턴의 변화를 추적하여 손상 여부를 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 균열은 자가 인식 교량 데크에서 포착할 수 있는 변형 패턴과 응력 집중을 변경합니다. 모든 오류는 잠재적으로 기준선에서 신호를 이동할 수 있습니다.

기술 개요 :다음 작업은 무엇입니까?

교수. 아미르 알라비 :이 기술의 엄청난 적용을 눈치채셨을 것입니다. 전체 개념은 아직 초기 단계이며 탐색할 것이 많습니다. 우리는 먼저 이러한 재료 시스템의 다양한 기계적 및 전기적 측면을 연구하기 위해 더 많은 자금을 확보해야 합니다. 이러한 장치의 장기적인 성능도 연구해야 합니다. 우리는 생물 의학 및 토목 공학 영역에서 해야 할 일이 많지만 이 기술의 우주 탐사 응용 분야로 연구를 확장하고 있습니다.

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