为真正的智能材料铺平道路
随着技术的发展，构成它的材料也必须如此。
人们一直在不断地寻求创造新形式的智能、活跃的物质，这些物质可以像人脑一样创造自己的能量、感觉、计算和交流。这个新兴领域将创造出非常专业的材料，这些材料实际上可以自己思考，而不需要精密的处理器或电池——这些材料将对从医疗植入物到太空计算的一切都有用。
匹兹堡大学斯旺森工程学院土木与环境工程助理教授 Amir Alavi 一直致力于设计这种新型智能材料，为机械计算系统奠定基础。国家科学基金会 (NSF) 最近授予 Alavi 著名的教师早期职业发展 (CAREER) 奖，该奖项支持早期职业教师，他们是研究和教育领域潜在的学术榜样，并推进了他们部门的使命。
为期五年、价值 535,120 美元的奖项将资助他的项目“机械超材料电子学：理论、设计和应用”。
“我们在之前的项目中开发的自供电机械超材料使我们能够灵活地微调材料的各个方面。现在，我们正在为这些材料注入一定程度的智能，它们将能够在没有电池的情况下为自己供电、感知环境、进行计算并传达这些发现，”Alavi 说。“这是一种新型材料，为各个工程和医学领域的技术进步新阶段提供了路线图。”
该项目建立在 Alavi 多年的机械超材料和能量收集研究的基础上。以前的研究已经引入了 自供电、自感应混凝土; 可以监测愈合的智能植入物; 等等。这项工作将更进一步，引入机械超材料电子学领域——元机电学——它将作为创造智能物质的平台，除了传感和自我之外，还可以在闭环系统中处理和交流信息- 强大的功能。
一种可以做到这一切的坚固材料
为了证明这一概念，Alavi 最近在 Materials Today (DOI: 10.1016/j.mattod.2023.03.026 ) 上发表了一篇论文，展示了可以通过执行各种自供电计算作为元机电一体化构建块的数字单元。与 Alavi 实验室设计的其他超材料一样，这些多层电池配备了内置的纳米能量收集机制，用于自供电信息处理。
此外，这些新细胞还可以在不同的机械运动下生成二进制数据，未来它们将能够进行计算、记忆和交流数据。这种元机电设备甚至可以用于在不需要电池的情况下将数据安全地存储在坚固的材料中。
“我们正在创建一种 3D 打印材料，它本身就是一个计算系统，”Alavi 说。“它可以用于很多规模。例如，载人火星任务需要由能够承受恶劣、无情环境的材料制成的互补电子设备，这些电子设备是为特定目的在现场制造的。同样的材料可以在较小的规模上制造心脏植入物，可以诊断和监测我们无法使用笨重电子设备的健康状况。”
除了资助他在元机电一体化方面的工作外，职业奖还资助 Alavi 鼓励年轻人学习 STEM 的努力。他的创新外展计划将使用“培训师培训”模式，教授 ASCE 学生分会成员如何在全国范围内吸引成千上万的初中和高中学生，向他们教授电子材料、绿色能源收集和机器学习方面的知识。
“机械超材料领域仍处于起步阶段，但它的发展速度非常快，”Alavi 说。“下一代工程师需要工具和知识来继续推动这些发现。这里的可能性是无限的。”
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