Från de största broarna till de minsta medicinska implantaten, sensorer finns överallt, och av goda skäl:Förmågan att känna av och övervaka förändringar innan de blir problem kan vara både kostnadsbesparande och livräddande.

För att bättre kunna hantera dessa potentiella hot, Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) Lab vid University of Pittsburgh Swanson School of Engineering har designat en ny klass av material som både är avkänningsmedier och nanogeneratorer, och är redo att revolutionera den multifunktionella materialteknologin i stort och smått.

Forskningen, nyligen publicerad i Nanoenergi, beskriver ett nytt metamaterialsystem som fungerar som sin egen sensor, registrera och vidarebefordra viktig information om trycket och påfrestningarna på dess struktur. Det så kallade "självmedvetna metamaterialet" genererar sin egen kraft och kan användas för ett brett utbud av avkännings- och övervakningstillämpningar.

Den mest innovativa aspekten av arbetet är dess skalbarhet:Samma design fungerar i både nanoskala och megaskala helt enkelt genom att skräddarsy designgeometrin.

"Det råder ingen tvekan om att nästa generations material måste vara multifunktionella, adaptiv och avstämbar." sa Amir Alavi, biträdande professor i civil- och miljöteknik och bioteknik, som leder iSMaRT Lab. "Du kan inte uppnå dessa egenskaper enbart med naturliga material – du behöver hybrid- eller kompositmaterialsystem där varje beståndsdel erbjuder sin egen funktionalitet. De självmedvetna metamaterialsystemen som vi har uppfunnit kan erbjuda dessa egenskaper genom att smälta samman avancerat metamaterial och energiskördande teknologier i flera skala, oavsett om det är en medicinsk stent, stötdämpare eller en flygplansvinge."

Medan nästan alla befintliga självavkännande material är kompositer som förlitar sig på olika former av kolfibrer som avkänningsmoduler, detta nya koncept erbjuder en helt annan, ändå effektiv, strategi för att skapa sensor- och nanogeneratormaterialsystem. Det föreslagna konceptet bygger på prestandaanpassad design och montering av materialmikrostrukturer.

Materialet är utformat så att under tryck, kontaktelektrifiering sker mellan dess ledande och dielektriska skikt, skapa en elektrisk laddning som vidarebefordrar information om materialets tillstånd. Dessutom, det ärver naturligtvis de enastående mekaniska egenskaperna hos metamaterial, som negativ kompressibilitet och ultrahög motståndskraft mot deformation. Den kraft som genereras av dess inbyggda triboelektriska nanogeneratormekanism eliminerar behovet av en separat strömkälla:Sådana materialsystem kan utnyttja hundratals watts kraft i stor skala.

En 'game changer', från det mänskliga hjärtat till rymdmiljöer

"Vi tror att denna uppfinning är en game changer inom metamaterialvetenskap där multifunktionalitet nu vinner mycket dragkraft, sa Kaveh Barri, huvudförfattare och doktorand i Alavis labb. "Medan en betydande del av de nuvarande ansträngningarna på detta område bara har gått ut på att utforska nya mekaniska egenskaper, vi går ett steg längre genom att introducera revolutionerande självladdnings- och självavkännande mekanismer i materialsystemens struktur."

"Vårt mest spännande bidrag är att vi konstruerar nya aspekter av intelligens i texturen av metamaterial. Vi kan bokstavligen omvandla vilket materialsystem som helst till avkänningsmedier och nanogeneratorer under detta koncept, " tillade Gloria Zhang, co-lead författare och doktorand i Alavis labb.

Forskarna har skapat flera prototypdesigner för en mängd olika civila, flyg- och biomedicinska applikationer. I mindre skala, en hjärtstent med denna design kan användas för att övervaka blodflödet och upptäcka tecken på restenos, eller återförträngning av en artär. Samma design användes också i mycket större skala för att skapa en mekaniskt avstämbar stråle som lämpar sig för en bro som själv kan övervaka för defekter på dess struktur.

Dessa material har enorm potential bortom jorden, också. Ett självmedvetet material använder varken kolfibrer eller spolar; den är lätt i massan, låg densitet, låg kostnad, mycket skalbar, och den kan tillverkas med ett brett utbud av organiska och oorganiska material. Dessa egenskaper gör dem idealiska för användning i framtida rymdutforskning.

"För att till fullo förstå den enorma potentialen med denna teknik, föreställ dig hur vi till och med kan anpassa detta koncept för att bygga strukturellt sunda, självförsörjande rymdhabitat med enbart inhemska material på Mars och bortom. Vi tittar faktiskt på detta just nu, " sa Alavi. "Du kan skapa nano-, mikro-, makro- och megaskaliga materialsystem under detta koncept. Det är därför jag är övertygad om att denna uppfinning kan bygga grunden för en ny generation av tekniska levande strukturer som svarar på yttre stimuli, själv övervaka sitt tillstånd, och makten själva."