Strain-sensing smart skin klar til implementering

En strain-sensing smart hud udviklet på Rice University, der bruger meget små strukturer, kulstof nanorør, til at overvåge og opdage skader i store strukturer, er klar til bedste sendetid.

"Strain-malingen", som først blev afsløret af Rice i 2012, bruger nanorørs fluorescerende egenskaber til at vise, hvornår en overflade er blevet deformeret af stress.

Nu udviklet som en del af et berøringsfrit optisk overvågningssystem kendt som S4, kan flerlagsbelægningen påføres store overflader - broer, bygninger, skibe og fly, for det første - hvor høj belastning udgør en usynlig trussel.

Projektet ledet af Rice-kemiker Bruce Weisman, konstruktionsingeniør Satish Nagarajaiah og hovedforfatter og kandidatstuderende Wei Meng udspringer af Weismans opdagelse i 2002, at halvledende kulstofnanorør fluorescerer ved nær-infrarøde bølgelængder. Han udviklede efterfølgende optiske instrumenter til at udforske de fysiske og kemiske egenskaber af nanorør, herunder spektroskopiske belastningseffekter, i 2008.

Uafhængigt i 2004 foreslog og udviklede Nagarajaiah en berøringsfri optisk belastningssensor ved hjælp af kulstof nanorør-film bundet til strukturelle elementer med epoxy og sonderet med Raman-spektroskopi.

Deres uafhængige forskningsveje smeltede sammen til et fælles projekt i 2008, da Weisman og Nagarajaiah opdagede, at enkeltvæggede carbon nanorør indlejret i en polymer og bundet til et strukturelt element vil opleve den samme belastning og kan rapportere det optisk gennem spektrale skift i deres nær-infrarøde fluorescens. De rapporterede dette fund i et papir fra 2012.

"Belastningsmålinger udføres ofte som en del af sikkerhedsrelaterede inspektioner," sagde Weisman. "Det tekniske samfund er med rette konservativt, fordi deres målinger skal være pålidelige. Så vi er nødt til at overvinde skepsis over for nye metoder ved at bevise, at vores er lige så gyldige som de etablerede.

"Dette papir præsenterer vores metodes legitimationsoplysninger som en seriøs belastningsmålingsteknologi," sagde han.

Detaljer om næste generations, ikke-kontakt system vises i Scientific Reports.

Strain mapping har været afhængig af to teknologier:fysiske målere knyttet til strukturer og digital billedkorrelation (DIC), der bruges til at sammenligne billeder taget over tid af overflader med indlejrede "pletter."

Weisman sagde, at S4 nemt står op til DIC. Endnu bedre kan de to teknikker arbejde sammen. "Vi ønskede at lave en direkte sammenligning med DIC, som er den eneste kommercialiserede kortlægningsmetode for stamme derude," sagde han. "Det bruges i en række brancher, og folk har en ret høj grad af tillid til det.

"For at demonstrere, at vores metode kan stå side om side med den og få resultater, der ligner eller bedre, udtænkte Wei en metode til at inkorporere S4 og DIC, så begge teknikker kan bruges samtidigt og endda supplere hinanden," sagde Weisman. P>

Selve huden har tre lag, deres konfiguration tilpasset den overflade, de dækker. Typisk males en uigennemsigtig primer indeholdende DIC-pletterne først. Det andet lag er en klar polyurethan, der isolerer basen fra nanorørene. Til sidst sprøjtes det følende lag af individuelt coatede nanorør, suspenderet i toluen, ovenpå. Toluenen fordamper og efterlader et sub-mikron-tykt følelag af nanorør bundet til det strukturelle element. Et ekstra beskyttende lag kan påføres ovenpå for at holde huden aktiv i årevis.

Systemet kræver også en læser, i dette tilfælde en lille synlig laser til at excitere nanorørene og et bærbart spektrometer for at se, hvordan de er belastede.

Meng sammenlignede omhyggeligt S4 med både DIC og computersimuleringer i test på I-formede akrylstænger med et hul eller en udskæring og på betonblokke og aluminiumsplader med huller boret ind i dem for at fokusere belastningsmønstre. I alle tilfælde gav S4 et nøjagtigt billede i høj opløsning af de stressede prøver, der var sammenligneligt med eller bedre end de samtidige DIC-resultater.

Opmåling af beton var en optisk udfordring. "Vi fandt ud af, at cement i betonen har en iboende nær-infrarød emission, der forstyrrede vores belastningsmålinger," sagde Nagarajaiah. "Wei brugte enormt meget tid, især under pandemien, på omhyggeligt at arbejde på en ny arkitektur for at blokere disse signaler."

I stedet for det sædvanlige hvide baselag tjente en sort base, der også holder pletterne, formålet, sagde han.

"Der er en yderligere fordel ved S4 frem for DIC, som vi ikke havde værdsat indtil for nylig," sagde Weisman. "Det er det faktum, at for at få gode resultater fra DIC kræver det et højt niveau af ekspertise fra operatørens side. Virksomheder fortæller os, at det kun er deres ingeniører, der er kvalificerede til at bruge det. Det er nemt at tage dataene, men fortolkningen kræver meget dømmekraft.

"Vores metode er helt anderledes," sagde han. "Det er næsten lige så nemt at tage dataene, men analysen for at få S4-stammekortet er automatisk. I det lange løb vil det være en fordel."

"Jeg er ikke i tvivl om, at dette er en state-of-the-art metode til strain-mapping," sagde Nagarajaiah. "Vi har testet det på konstruktionselementer lavet af metaller, plast og beton med komplekse mikrorevner og underjordiske skader, og det virker i alle tilfælde. Jeg tror, ​​vi er nået til det stadie, hvor det er klar til implementering, og vi engagerer os med industrien for at lære, hvordan den kan hjælpe dem."

Risforsker Sergei Bachilo og kandidatstuderende Ashish Pal er medforfattere til undersøgelsen. Weisman er professor i kemi og i materialevidenskab og nanoteknik. Nagarajaiah er professor i civil- og miljøteknik, i materialevidenskab og nanoteknik og i maskinteknik. + Udforsk yderligere

Siliciumfluorescens skinner gennem mikrorevner i cement og afslører tidlige tegn på skade