Forskare undersöker nya material för att lägga grunden för levande strukturer som reagerar på deras miljö. De syftar till att skapa självbärande infrastrukturer som kan övervaka deras tillstånd och till och med reparera sig själva.

När Eleni Chatzi inte är upptagen med att läsa tekniska papper om vibrerande broar, smart infrastruktur och datadriven teknik, hon tycker om att fördjupa sig i science fiction-romaner. "Jag gillar att fundera över okonventionella idéer och föreställa mig en värld som ännu inte kommer, säger Chatzi, Professor i strukturmekanik vid ETH Zürich. Verkligen, det finns en ring av sci-fi i det när hon pratar om tillämpningar som hennes forskning en dag kan leda till. En sådan futuristisk vision är broar som växer ur en handfull frön och består helt av organiskt material.

Denna 38-årige civilingenjör, vars professur har fått finansiering från Albert Lück-Stiftung sedan 2010, specialiserat på strukturell hälsoövervakning. Chatzi diagnostiserar dammarnas hälsa, broar, vindturbiner, flygplan och fordon som använder sensorer, algoritmer som konverterar och bearbetar signaler, och maskininlärning. För närvarande, ingenjörer måste antingen externt installera de sensorer som behövs för att mäta spänningen, deformation, acceleration, vind och spänning, eller införliva dessa enheter i den ursprungliga strukturella designen. "Dock, detta är vanligtvis en extra kostnad och en störande faktor, speciellt på byggarbetsplatser, " förklarar Chatzi. Besättningar måste installera otaliga kablar för att överföra uppmätta data till en central dator för analys. "Det är därför vi skulle vilja utveckla infrastrukturer och maskiner med inneboende intelligens som är medvetna om sitt tillstånd även utan externt monterade sensorer, säger Chatzi.

Medveten betong

En aldrig tidigare skådad klass av material utgör grunden för denna typ av självmedveten infrastruktur – och forskare runt om i världen har varit upptagna med att utforska deras mysterier de senaste åren. Ett exempel är inneboende självkännande betong. Blandat med kolfibrer, kolnanorör och nickelpulver, detta material övervakar dess tillstånd autonomt för att ge information om sprickor, fukt eller ovanligt tunga belastningar. Dessa data coaxeras från strukturen genom att applicera spänning och ständigt mäta det elektriska motståndet.

En andra forskningslinje om material med självläkande egenskaper pekar i liknande riktning. Förra året, i ett projekt inspirerat av växtfotosyntes, Amerikanska forskare presenterade en polymer som kan reparera sig själv genom att reagera med koldioxid i den omgivande luften. Andra grupper arbetar med bakterier som bildar kalk när de utsätts för regnvatten och annan fukt. Tillsatt till betong, de kan täta små sprickor på egen hand. Experiment pågår med mikrovaskulära nätverk som frigör "läkande" vätskor när en skada inträffar. Reagerar ungefär som den mänskliga organismen på ett hudsår, de polymeriserar för att fylla sprickorna.

Innehåller biologiska funktioner

"Vi ser en fusion av materialvetenskap och biologi, " säger Mark Tibbitt, Professor vid Macromolecular Engineering Laboratory vid ETH Zürich. Han konstaterar att tidigare, kemiska och andra ingenjörer hade i första hand sökt sig till naturen för att få inspiration för att efterlikna egenskaper som lotusblommans förmåga att stöta bort vatten. "I dag, vi försöker införliva biologiska funktioner i material." Dessa ansträngningar drivs av genombrott inom materialvetenskap och bioteknik. DNA-teknik och nya molekylärbiologiska metoder som CRISPR/Cas-genredigering kan nu tjäna till att introducera nya biologiska funktioner i celler för mycket specifika ändamål. Additiv tillverkning med 3D-skrivare möjliggör högupplöst, databaserad materialdesign. Kombinera koncept från ett antal områden – kemiteknik, polymerkemi, materialvetenskap och systembiologi - Tibbitts forskning syftar till att utveckla mjuk, vävnadsliknande polymerer för biomedicinska tillämpningar.

"Det fascinerande med levande organismer är att de uppfattar sin miljö, reagera på det och till och med läka sig själva när de är skadade. Vi vill ingjuta dessa egenskaper i material och infrastruktur, "säger Tibbitt. Han tror att framtida applikationer kan innehålla krukväxter som rengör luften och ändrar färgen på deras blad för att uppmärksamma luftkvaliteten, och byggnader som ändras med årstiderna för att hålla sitt inre klimat bekvämt.

Tibbitt träffade Eleni Chatzi för ett år sedan vid ett evenemang för att utforska radikalt nya forskningsvägar. Även om de två fungerar på väldigt olika skalor, de pratar ofta om samma begrepp. Återkommande ämnen inkluderar material som kan "läka" sig själva. Nyligen, de började främja dialog mellan forskare vid ETH om att leva, självkännande och självläkande material och infrastrukturer. Materialvetare, kemisk, civila och elektriska ingenjörer, biologer och datavetare har alla gått med för att utveckla material med målet att arbeta i olika skalor redan från början istället för att skala dem i ett senare skede. "ETH Zürich är det perfekta navet för den här satsningen eftersom den har så mycket expertis inom alla nyckelområden, " säger Tibbitt. En första workshop och ett symposium planeras att äga rum under våren 2020 för experter att diskutera frågan. Tanken är att definiera forskningsfrågor och sedan starta de första transdisciplinära projekten.

Att leva med animerade miljöer

Detta är en ny forskningsväg som Chatzi och Tibbitt har inlett, och i detta skede finns det många fler frågor än svar. En stor fråga är hur man kan säkerställa säkerhet och stabilitet när infrastruktur utvecklar sitt eget liv. En annan är hur människor och djur kommer att reagera på en konstruerad miljö bestående av levande organismer. Och vad händer om en syntetisk organism läcker ut från ett nytt byggmaterial till omgivande vatten? "Vi måste tänka på bioetiska frågor och säkerhetsproblem från dag ett, säger Tibbitt.

Sådana risker innebär också stora möjligheter:betongproduktion står för cirka åtta procent av dagens globala koldioxidutsläpp ₂ utsläpp. Hela sandstränder offras för den globala byggboomen. Många deponier svämmar över med spillror från rivna byggnader. Organiska infrastrukturer med slutna materialkretslopp – som broar gjorda av anmärkningsvärt robust växtfiber – erbjuder ett hållbart alternativ. Om skadad, de kunde reparera sig själva. I slutet av deras livslängd, de kunde helt enkelt bryta ner till enskilda komposterbara komponenter.