Biologisk nedbrydelige broer:Levende strukturer, der reagerer på miljøet

Forskere undersøger nye materialer for at lægge grundlaget for levende strukturer, der reagerer på deres miljø. De sigter mod at skabe selvbærende infrastrukturer, der kan overvåge deres tilstand og endda reparere sig selv.

Når Eleni Chatzi ikke har travlt med at læse tekniske papirer om vibrerende broer, smarte infrastrukturer og datadrevet teknik, hun nyder at fordybe sig i science fiction -romaner. "Jeg kan godt lide at tænke over ukonventionelle ideer og forestille mig en verden, der endnu ikke kommer, " siger Chatzi, Professor i strukturmekanik ved ETH Zürich. Ja, der er en ring af sci-fi i det, når hun taler om anvendelser, som hendes forskning en dag kan føre til. En sådan futuristisk vision er broer, der vokser ud af en håndfuld frø og udelukkende består af organisk materiale.

Denne 38-årige civilingeniør, hvis professorat har modtaget støtte fra Albert Lück-Stiftung siden 2010, har specialiseret sig i strukturel sundhedsovervågning. Chatzi diagnosticerer dæmninger, broer, vindturbine, fly og køretøjer ved hjælp af sensorer, algoritmer, der konverterer og behandler signaler, og maskinlæring. I øjeblikket, ingeniører skal enten eksternt installere de sensorer, der er nødvendige for at måle spænding, deformation, acceleration, vind og belastning, eller inkorporer disse enheder i det oprindelige strukturelle design. "Imidlertid, dette er normalt en ekstra udgift og en forstyrrende faktor, især på byggepladser, " forklarer Chatzi. Besætninger skal installere utallige kabler for at overføre de målte data til en central computer til analyse. "Derfor vil vi gerne udvikle infrastrukturer og maskiner med indre intelligens, der er opmærksomme på deres tilstand, selv uden eksternt monterede sensorer, "siger Chatzi.

Bevidst beton

En hidtil uset klasse af materialer danner grundlaget for denne form for selvbevidst infrastruktur - og forskere rundt om i verden har haft travlt med at udforske deres mysterier i de sidste par år. Et eksempel er iboende selvfornemmende beton. Blandet med kulfiber, kulstof nanorør og nikkelpulver, dette materiale overvåger sin tilstand autonomt for at give oplysninger om revner, fugt eller usædvanligt tunge belastninger. Disse data coaxes fra strukturen ved at påføre spænding og konstant måle den elektriske modstand.

En anden linje af forskning i materialer med selvhelbredende egenskaber peger i en lignende retning. Sidste år, i et projekt inspireret af plantefotosyntese, Amerikanske forskere præsenterede en polymer, der kan reparere sig selv ved at reagere med kuldioxid i den omgivende luft. Andre grupper arbejder med bakterier, der danner kalk, når de udsættes for regnvand og anden fugt. Tilføjet til beton, de kan forsegle små revner på egen hånd. Eksperimenter er i gang med mikrovaskulære netværk, der frigiver "helende" væsker, når der opstår en skade. Reagerer meget som den menneskelige organisme på et hudsår, de polymeriserer for at fylde sprækkerne.

Indarbejde biologiske funktioner

"Vi ser en fusion af materialevidenskab og biologi, " siger Mark Tibbitt, Professor ved Macromolecular Engineering Laboratory ved ETH Zürich. Han bemærker, at tidligere, kemiske og andre ingeniører havde primært set til naturen for at få inspiration til at efterligne egenskaber som lotusblomstens evne til at afvise vand. "I dag, vi forsøger at indarbejde biologiske funktioner i materialer. "Disse bestræbelser er drevet af gennembrud inden for materialevidenskab og bioteknologi. DNA -teknik og nye molekylærbiologiske metoder såsom CRISPR/Cas genredigering kan nu tjene til at introducere nye biologiske funktioner i celler for meget specifikke formål. Additiv fremstilling ved hjælp af 3-D-printere muliggør høj opløsning, databaseret materialedesign. Kombination af begreber fra en række områder - kemiteknik, polymerkemi, materialevidenskab og systembiologi - Tibbitts forskning har til formål at udvikle bløde, vævslignende polymerer til biomedicinske anvendelser.

"Det fascinerende ved levende organismer er, at de opfatter deres miljø, reagere på det og endda helbrede sig selv, når de kommer til skade. Vi ønsker at indpode disse kvaliteter i materialer og infrastrukturer, " siger Tibbitt. Han mener, at fremtidige anvendelser kan omfatte stueplanter, der renser luften og ændrer farven på deres blade for at gøre opmærksom på luftkvaliteten, og bygninger, der skifter med årstiderne for at holde deres indeklima behageligt.

Tibbitt mødte Eleni Chatzi for et år siden ved et arrangement for at udforske radikalt nye veje til forskning. Selvom de to arbejder i meget forskellige skalaer, de taler ofte om de samme begreber. Tilbagevendende emner omfatter materialer, der kan "helbrede" sig selv. For nylig, de begyndte at fremme dialog mellem forskere ved ETH om at leve, selvsansende og selvhelbredende materialer og infrastrukturer. Materialeforskere, kemisk, civile og elektriske ingeniører, biologer og dataloger er alle gået sammen om at udvikle materialer med det mål at arbejde i forskellige skalaer lige fra starten i stedet for at skalere dem på et senere tidspunkt. "ETH Zürich er det perfekte knudepunkt for dette projekt, fordi det har så meget ekspertise inden for alle de centrale områder, " siger Tibbitt. En indledende workshop og et symposium er planlagt til at finde sted i foråret 2020, hvor eksperter kan diskutere sagen. Idéen er at definere forskningsspørgsmål og derefter iværksætte de første tværfaglige projekter.

At leve med animerede miljøer

Dette er en ny forskningsvej, som Chatzi og Tibbitt har påbegyndt, og på dette stadium er der mange flere spørgsmål end svar. Et stort spørgsmål er, hvordan man sikrer sikkerhed og stabilitet, når infrastrukturer udvikler sit eget liv. En anden er, hvordan mennesker og dyr vil reagere på et konstrueret miljø bestående af levende organismer. Og hvad sker der, hvis en syntetisk organisme udvaskes fra et nyt byggemateriale til omgivende farvande? "Vi er nødt til at tænke på bioetiske spørgsmål og sikkerhedsproblemer fra dag ét, «siger Tibbitt.

Sådanne risici giver også store muligheder:Betonproduktion tegner sig for omkring otte procent af nutidens globale CO ₂ emissioner. Hele strimler af sandstrande bliver ofret til det globale byggeboom. Mange lossepladser flyder over med murbrokker fra nedrevne bygninger. Organisk infrastruktur med lukkede materialecyklusser - såsom broer lavet af bemærkelsesværdigt robust plantefiber - tilbyder et bæredygtigt alternativ. Hvis beskadiget, de kunne reparere sig selv. Ved slutningen af ​​deres levetid, de kunne simpelthen nedbrydes til individuelle komposterbare komponenter.