Ευφυή υλικά

Μηχανικοί και επιστήμονες των υλικών εμπλέκονται εκτενώς στον χαρακτηρισμό των υλικών. Μέσα στην προηγούμενη δεκαετία, η επιστημονική και τεχνολογική πρόοδος στην κατανόηση της συμπεριφοράς και της σχέσης της δομής και των ιδιοτήτων των υλικών έχει οδηγήσει στην εμφάνιση πολλών υλικών που αποκαλούνται έξυπνα ή ευφυή υλικά.

Ως ευφυή υλικά αναφέρονται συστήματα που έχουν την ικανότητα να μεταβάλλουν τη συμπεριφορά τους ή ορισμένα χαρακτηριστικά τους (σχήμα, ιδιοσυχνότητα, συντελεστής απόσβεσης δονήσεων κτλ.) με δεδομένο και ελεγχόμενο τρόπο, μέσω μιας διέγερσης.

Με τη διαθεσιμότητα προηγμένων υπολογιστών και νέες αναπτύξεις στην επιστήμη των υλικών, οι ερευνητές μπορούν τώρα να χαρακτηρίσουν τις διαδικασίες, το σχέδιο, το μοντέλο, και να κατασκευάσουν υλικά με την επιθυμητή απόδοση και τις κατάλληλες ιδιότητες. Συγκεκριμένα, πραγματοποιούνται νέες εφαρμογές για υλικά με μνήμης σχήματος (shape memory materials), ήλεκτρο- και μαγνητορεολογικά ρευστά (electro- and magnetorheologic fluids) , πιεζοηλεκτρικά (piezoelectrics), σίδηροηλεκτρικά (ferroelectrics), μαγνητοσταλτικά (magnetostrictive), και ηλεκτροενεργά πολυμερή σώματα (electroactive polymers).

Τα τελευταία χρόνια, ερευνητές με διαφορετικούς τρόπους έχουν κάνει τεράστιες και έντονες προσπάθειες για να αναπτυχθούν οι έξυπνες ή ευφυείς δομές, οι οποίες θα μπορούν να επιτηρούν τις συνθήκες τους, να ανιχνεύουν επικείμενη αστοχία, να ελέγχουν ή να θεραπεύουν ζημιές, και να προσαρμόζονται σε μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα. Τέτοια διεπιστημονική και λεπτή έρευνα, που απαιτεί τη συμμετοχή επιστημόνων των υλικών, φυσικών, φαρμακοποιών, βιολόγων, και τεχνικών από διάφορους τομείς (π.χ. μηχανικών, ηλεκτρολόγων, πολιτικών μηχανικών, αεροναυπηγών κ.λπ.) έχει δημιουργήσει μια εντελώς νέα έρευνα για την αλληλεπίδραση των στοιχείων.

Οι έξυπνες δομές/υλικά δημιουργούνται γενικά μέσω σύνθεσης, όχι μόνο συνδυάζοντας αισθητήρες, επεξεργαστές, και ενεργοποιητές αλλά επίσης και μέσω της ενοποίησης τους με συμβατικά δομικά υλικά όπως είναι ο χάλυβας, το σκυρόδεμα, ή τα σύνθετα υλικά. Μερικές από τις δομές και τα υλικά που ερευνώνται αυτήν την περίοδο ή χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν λειτουργικά υλικά των κατηγοριών και των ιδιοτήτων που περιγράφονται παρακάτω:

1. Πιεζοηλεκτρικά υλικά (Piezoelectric materials)
2. Ηλεκτροσταλτικά υλικά (Εlectrostrictive materials)
3. Μαγνητοσταλτικά υλικά (Magnetostrictive materials)
4. Κράματα με μνήμης σχήματος (Shape memory alloys)
5. Ηλεκτρορεολογικά Ρευστά (Electrorheological Fluids)

Κριτήρια επιλογής

Τα κύρια κριτήρια για την επιλογή των υλικών είναι σαφώς οι ικανότητες κίνησης, δηλ. χαρακτηριστικά παραμόρφωσης, δύναμης και χρόνος απόκρισης. Δευτερεύοντα κριτήρια είναι οι ενεργειακές απαιτήσεις, η αποδοτικότητα, η θερμότητα που παράγεται, η δύναμη ελέγχου ανά μονάδα βάρους ή ο όγκου, η ελεγξιμότητα, καθώς επίσης και οι μηχανικές ιδιότητες, όπως η αντοχή στον εφελκυσμό και σε δυνάμεις συμπίεσης, η ευθραυστότητα, η κόπωση, η θερμοκρασιακή ευαισθησία, η υστέρηση, και οι πτυχές επεξεργασίας και χειρισμού.

Η επιλογή των υλικών για μια δεδομένη εφαρμογή μηχανικής βασίζεται στη γενική φυσικομηχανική συμπεριφορά τους υπό στατικές, δυναμικές και περιστασιακά σκληρές περιβαλλοντικές συνθήκες. Με το συνδυασμό δύο ή περισσοτέρων υλικών μια ευρύτερη σειρά ιδιοτήτων μπορούν να ληφθούν. Σήμερα υπάρχει απέραντος πληθυσμός μονολιθικών ή σύνθετων υλικών για το σχεδιαστή για να επιλέξει, ενώ εκτενείς πίνακες τιμών συγκεκριμένων ιδιοτήτων είναι επίσης διαθέσιμοι. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις, από ένα υλικό εφαρμοσμένης μηχανικής απαιτείται να εκτελέσει ένα πλήθος λειτουργιών και αυτό θέτει μια πρόσθετη δυσκολία στη διαδικασία επιλογής. Ήδη, πολλές έρευνες κατευθύνονται στην ανάπτυξη υλικών που μπορούν να καταχωρηθούν ως «αυτό-προσαρμοζόμενα» ή «ευφυή» υλικά. Αυτά είναι υλικά ή συστήματα υλικών των οποίων συγκεκριμένες ιδιότητες, όπως η ακαμψία, η ικανότητα απόσβεσης ή ακόμη και η μορφή, μπορούν να ποικίλουν σε αντίδραση με εξωτερικά ή εσωτερικά ερεθίσματα. Ο μηχανισμός μέσω του οποίου μια τέτοια λειτουργία επιτυγχάνεται μπορεί να είναι «παθητικός» δηλ. βασισμένος απλώς στην παρουσία ενός μετατρέψιμου κινούμενου στοιχείου ή «ενεργός» με την ενσωμάτωση ικανοτήτων αίσθησης και ενεργοποίησης μέσω ενός αλληλεπιδρώντα βρόχου.

Λειτουργία ευφυών συστημάτων

Ένα ευφυές υλικό μπορεί να αποκριθεί προσαρμοζόμενο σε ένα περιβαλλοντικό ερέθισμα, όπως μια αλλαγή στη θερμοκρασία ή κάποια μηχανική επιβάρυνση. Τα έξυπνα υλικά έχουν αποτελέσει το αντικείμενο πολλών ερευνών τα τελευταία χρόνια. Τα έξυπνα/ευφυή/αυτό-προσαρμοζόμενα συστήματα αποτελούνται από τρία βασικά στοιχεία:

1. Αισθητήρες,
2. Ενεργοποιητές,
3. Επεξεργαστές ελέγχου.

Εφαρμογές ευφυών υλικών

Τα σύνθετα υλικά με ενσωματωμένους αισθητήρες και ενεργοποιητές θα κερδίσουν την τεχνολογική αποδοχή μόνο εάν η δομική ακεραιότητα τους δεν μειώνεται σημαντικά εξαιτίας της παρουσίας αισθητήρων και ενεργοποιητών, που προς το παρόν είναι σημαντικά μεγαλύτεροι σε διάμετρο από τις ίνες άνθρακα, τις αραμιδικές ίνες ή τις οπτικές ίνες (που έχουν χαρακτηριστικά 8-10μm διάμετρο).

Οι πιθανές εφαρμογές τέτοιων ευφυών συστημάτων/υλικών είναι άφθονες. Παρακάτω ακολουθούν ορισμένες εφαρμογές αρκετές από τις οποίες βρίσκονται ακόμα υπό ανάπτυξη. Οι εφαρμογές των ευφυών υλικών περιλαμβάνουν:

• το σχεδιασμό έξυπνου «δέρματος» αεροσκαφών που ενσωματώνουν αισθητήρες οπτικών ινών για ανίχνευση δομικών ρωγμών,
• γέφυρες με αισθητήρες αλλά και με κινούμενα στοιχεία για να αντιμετωπίζει βίαιες δονήσεις,
• ιπτάμενα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (flying microelectromechanical systems) με τηλεχειρισμό για έρευνα και για αποστολές διάσωσης,
• υποβρύχια οχήματα τύπου stealth με ειδικούς τεχνητούς μύες σχεδιασμένους για κολύμβηση φτιαγμένους από ειδικά πολυμερή σώματα,
• βαλβίδες ελέγχου υψηλής ταχύτητας (αναλογικές βαλβίδες, βαλβίδες εμβόλου κλπ.),
• εγχυτήρες (καυσίμου, εκτυπωτικής μελάνης, βιοϊατρικοί δοσολόγοι, κ.τ.λ.),
• ρομποτικοί βραχίονες και χειριστές (robot manipulators),
• για τους οποίους απαιτείται ταχύτατη ανταπόκριση και υψηλή συχνότητα λειτουργίας,
• γραμμικοί κινητήρες,
• εφαρμογές σε συσκευές τοποθέτησης (positioning) υψηλής ακρίβειας,
• αντλίες και μικροαντλίες (π.χ. αντλίες ψύξης για ηλεκτρονικές συσκευές),
• ενεργή απόσβεση ταλαντώσεων, δονήσεων και κραδασμών,
• μηχανικοί συζεύκτες (φρένα, δαγκάνες, συγκρατητήρες),
• ηχοβολιστικές συσκευές (sonars),
• εφαρμογές υπερήχων,
• μεγάφωνα,
• ηλεκτρικές συνδεσμολογίες (ηλεκτρονόμοι, διακόπτες κυκλώματος),
• εφαρμογές αισθητήρων (αισθητήρες θέσης, χειριστήρια -joysticks, παρακολούθηση δονήσεων),
• διάφορες εφαρμογές MEMS ενεργοποιητών (actuators),
• ημιενεργούς απορροφητές δόνησης,
• αισθητήρες οπτικής ίνας σε γέφυρες,
• εύκαμπτα φτερά για μη επανδρωμένα αεροπορικά οχήματα,
• μηχανική δοκιμή και οι μικροδομικές μελέτες των υλικών MEMS,
• ενεργητικός και παθητικός έλεγχος απόσβεσης για τις μεγάλες αστικές κατασκευές,
• αυτοθεραπευόμενο σκυρόδεμα,
• σύνθεση έξυπνων συστημάτων ενεργοποιητών για χαμηλής και υψηλής συχνότητας μακρο-κίνηση,
• τηλεπισκόπηση της ζημίας στις μεγάλες αστικές κατασκευές που χρησιμοποιούν ενσωματωμένους αισθητήρες για το μετριασμό κινδύνου και εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας ελεγχόμενης μορφής έξυπνες κατασκευές.