محققان دانشگاه گلاسکو به پیشرفت قابل توجهی در توسعه مواد خود حسگر دست یافته اند که می توانند تغییرات در شکل یا حالت خود را تشخیص دهند. این مواد که از طریق پرینت سه بعدی تولید می شوند، می توانند کاربردهای تحول آفرینی در بخش هایی مانند هوافضا، خودروسازی و مهندسی عمران داشته باشند. این تحقیق به رهبری پروفسور شانموگام کومار از دانشکده مهندسی جیمز وات دانشگاه، نویدبخش افزایش ایمنی و عملکرد در زیرساخت های حیاتی و سیستم های حمل و نقل است.
مواد هوشمند برای نظارت در زمان واقعی
مواد خودحسگر توسعه یافته در این مطالعه دارای توانایی منحصر به فردی برای تشخیص تغییرات در ساختار خود از طریق تغییر در جریان الکتریکی است. این فناوری به مواد اجازه می دهد تا یکپارچگی خود را در زمان واقعی نظارت کنند، به این معنی که آنها می توانند عیوب یا آسیب ها را مدت ها قبل از اینکه منجر به خرابی جدی شوند شناسایی کنند. این پیشرفت می تواند صنایع را با امکان نظارت مستمر بر سازه هایی مانند هواپیما، وسایل نقلیه، پل ها و ساختمان ها متحول کند. با استفاده از این مواد، تشخیص زودهنگام مشکلات احتمالی و انجام اقدامات پیشگیرانه، بهبود ایمنی و کارایی تعمیر و نگهداری امکان پذیر خواهد بود.
چاپ سه بعدی به عنوان یک فعال کننده کلید
نوآوری این تیم در ترکیب چاپ سه بعدی با فناوری نانولوله کربنی برای ایجاد مواد پیزومقاومی با قابلیت تشخیص تنش های داخلی است. چاپ سه بعدی یا تولید افزودنی، امکان ایجاد ساختارهای پیچیده و سبک وزن را فراهم می کند که به خوبی برای استحکام و سفتی تنظیم شده اند. با تعبیه نانولوله های کربنی در داخل این ماده، محققان توانستند رسانایی الکتریکی را فعال کنند و به ماده اجازه دهند تا شرایط ساختاری خود را از طریق تغییر در مقاومت الکتریکی حس کند.
پروفسور کومار خاطرنشان کرد که این قابلیت خودسنجی می تواند به طور قابل توجهی نیاز به سخت افزار اضافی را کاهش دهد، زیرا خود ماده می تواند عملکرد خود را نظارت کند. او گفت: “اعمال رفتار مقاومتی پیزو به مواد سلولی پرینت سه بعدی به آنها این توانایی را می دهد که عملکرد خود را بدون هیچ سخت افزار اضافی نظارت کنند.”
پتانسیل برای کاربردهای آینده
این تحقیق یک نگاه اجمالی هیجان انگیز به آینده مواد هوشمند ارائه می دهد. فراتر از بخشهای هوافضا و خودرو، مهندسی عمران نیز میتواند از توسعه این مواد خود حسگر سود زیادی ببرد. نظارت مستمر در زمان واقعی بر زیرساختها مانند پلها و تونلها میتواند با هشدار دادن به مهندسان در مورد مسائل سازهای مدتها قبل از بحرانی شدن، از خرابیهای بزرگ جلوگیری کند.
علاوه بر این، توانایی این مواد برای حس کردن و پاسخ به آسیبها میتواند درهای جدیدی را در زمینههایی مانند روباتیک باز کند، جایی که نظارت ساختاری در زمان واقعی، عملیات ایمنتر و کارآمدتر را تضمین میکند. حتی پتانسیلی برای کاربرد در تنظیمات نظامی وجود دارد، جایی که زره بدن مجهز به مواد خودحسگر می تواند به سربازان بازخورد فوری در مورد وضعیت تجهیزات حفاظتی آنها ارائه دهد.
رویکردی جدید به طراحی متریال
یکی از قابل توجه ترین جنبه های این تحقیق، سیستم جامع آن برای پیش بینی چگونگی رفتار مواد خودحسگر در شرایط استرس است. این تیم از مدل سازی کامپیوتری پیچیده و تجزیه و تحلیل اجزای محدود برای پیش بینی رفتار مواد پرینت سه بعدی استفاده کرد. این پیشبینیها از طریق آزمایشهای دنیای واقعی تأیید شدند و دقت مدلها را نشان دادند.
پروفسور کومار توضیح داد: «این سیستم امکان مدلسازی مواد پرینت سهبعدی را در مقیاسهای چندگانه فراهم میکند و انواع مختلفی از فیزیک را در خود جای میدهد. این پیشرفت می تواند محققان و مهندسان آینده را قادر سازد تا مواد جدید خود حسگر را با کارآمدتر طراحی کنند و نیاز به آزمون و خطا در فرآیند توسعه را کاهش دهند.
باز کردن امکانات جدید در تولید افزودنی
پیامدهای این تحقیق صنایع گسترده و بالقوه در حال تغییر است که در آن ایمنی، نگهداری و نظارت در زمان واقعی حیاتی است. همانطور که زمینه تولید مواد افزودنی همچنان در حال رشد است، توانایی ترکیب مواد هوشمند و خود حسگر در طرح های جدید می تواند به ساختارهای ایمن تر، کارآمدتر و انعطاف پذیرتر منجر شود.
با نگاهی به آینده، کار این تیم میتواند الهامبخش کاوش بیشتر در زمینه مواد خودحسگر باشد و فرصتهای جدیدی را برای مواد معماری حسگر مستقل ایجاد کند. با استفاده از این تحقیقات پیشگامانه، صنایع در سراسر جهان ممکن است به زودی بتوانند از قدرت چاپ سه بعدی برای ایجاد موادی استفاده کنند که می توانند در زمان واقعی فکر کنند، احساس کنند و به محیط خود پاسخ دهند.
منبع: gla.ac.uk
منبع: https://3dprinting.com/news/breakthrough-research-could-pave-the-way-for-future-self-sensing-materials/