Onderzoekers onderzoeken nieuwe materialen om de basis te leggen voor levende structuren die reageren op hun omgeving. Ze willen zelfvoorzienende infrastructuren creëren die hun toestand kunnen monitoren en zelfs zichzelf kunnen repareren.

Als Eleni Chatzi niet bezig is met het lezen van technische artikelen over trillende bruggen, slimme infrastructuren en datagedreven engineering, ze dompelt zich graag onder in sciencefictionromans. "Ik denk graag na over onconventionele ideeën en stel me een wereld voor die nog moet komen, " zegt Chatzi, Hoogleraar structurele mechanica aan de ETH Zürich. Inderdaad, er zit een vleugje sci-fi in als ze praat over toepassingen waar haar onderzoek ooit toe zou kunnen leiden. Een van die futuristische visies zijn bruggen die uit een handvol zaden groeien en volledig uit organisch materiaal bestaan.

Deze 38-jarige burgerlijk ingenieur, wiens hoogleraarschap sinds 2010 wordt gefinancierd door de Albert Lück-Stiftung is gespecialiseerd in structurele gezondheidsmonitoring. Chatzi diagnosticeert de gezondheid van dammen, bruggen, windturbines, vliegtuigen en voertuigen met behulp van sensoren, algoritmen die signalen converteren en verwerken, en machinaal leren. Momenteel, ingenieurs moeten ofwel extern de sensoren installeren die nodig zijn om de spanning te meten, vervorming, versnelling, wind en spanning, of deze apparaten opnemen in het oorspronkelijke structurele ontwerp. "Echter, dit is meestal een extra uitgave en een storende factor, vooral op bouwplaatsen, " legt Chatzi uit. Bemanningen moeten talloze kabels installeren om de gemeten gegevens naar een centrale computer te sturen voor analyse. "Daarom willen we infrastructuren en machines ontwikkelen met intrinsieke intelligentie die zich bewust zijn van hun toestand, zelfs zonder extern gemonteerde sensoren, ' zegt Chatzi.

Bewust beton

Een ongekende klasse van materialen vormt de basis voor dit soort zelfbewuste infrastructuur - en onderzoekers over de hele wereld zijn de afgelopen jaren druk bezig geweest met het onderzoeken van hun mysteries. Een voorbeeld is intrinsiek zelfgevoelig beton. Gemengd met koolstofvezels, koolstof nanobuisjes en nikkelpoeder, dit materiaal bewaakt autonoom zijn toestand om informatie te geven over scheuren, vocht of ongewoon zware lasten. Deze gegevens worden uit de structuur gehaald door spanning aan te leggen en constant de elektrische weerstand te meten.

Een tweede onderzoekslijn naar materialen met zelfherstellende eigenschappen wijst in dezelfde richting. Vorig jaar, in een project geïnspireerd op de fotosynthese van planten, Amerikaanse onderzoekers presenteerden een polymeer dat zichzelf kan herstellen door te reageren met koolstofdioxide in de omringende lucht. Andere groepen werken met bacteriën die kalk vormen bij blootstelling aan regenwater en ander vocht. Toegevoegd aan beton, ze kunnen zelf kleine scheurtjes dichten. Er wordt geëxperimenteerd met microvasculaire netwerken die "genezende" vloeistoffen vrijgeven wanneer zich een blessure voordoet. Net als het menselijk organisme reageren op een huidwond, ze polymeriseren om de breuken te vullen.

Biologische functies opnemen

"We zien een fusie van materiaalwetenschap en biologie, " zegt Mark Tibbitt, Professor aan het Macromolecular Engineering Laboratory aan de ETH Zürich. Hij merkt op dat in het verleden chemische en andere ingenieurs hadden in de eerste plaats naar de natuur gekeken voor inspiratie voor het nabootsen van eigenschappen zoals het vermogen van de lotusbloem om water af te stoten. "Vandaag, we proberen biologische functies in materialen op te nemen." Deze inspanningen worden gevoed door doorbraken in materiaalwetenschap en biotechnologie. DNA-engineering en nieuwe moleculair biologische methoden zoals CRISPR/Cas-genbewerking kunnen nu dienen om nieuwe biologische functies in cellen te introduceren voor zeer specifieke doeleinden. Additive manufacturing met behulp van 3D-printers maakt hoge resolutie, op data gebaseerd materiaalontwerp. Door concepten uit een aantal vakgebieden te combineren:chemische technologie, polymeer chemie, materiaalwetenschap en systeembiologie—Tibbitts onderzoek heeft tot doel zachte, weefselachtige polymeren voor biomedische toepassingen.

"Het fascinerende aan levende organismen is dat ze hun omgeving waarnemen, erop reageren en zelfs zichzelf genezen als ze gewond zijn. Deze kwaliteiten willen we bijbrengen in materialen en infrastructuren, ", zegt Tibbitt. Hij gelooft dat toekomstige toepassingen kamerplanten kunnen zijn die de lucht zuiveren en de kleur van hun bladeren veranderen om aandacht te vragen voor de luchtkwaliteit, en gebouwen die veranderen met de seizoenen om hun binnenklimaat comfortabel te houden.

Tibbitt ontmoette Eleni Chatzi een jaar geleden op een evenement voor het verkennen van radicaal nieuwe wegen van onderzoek. Hoewel de twee op heel verschillende schalen werken, ze praten vaak over dezelfde concepten. Terugkerende onderwerpen zijn materialen die zichzelf kunnen 'genezen'. Onlangs, ze begonnen de dialoog tussen onderzoekers van ETH over leven te bevorderen, zelfgevoelige en zelfherstellende materialen en infrastructuren. materiaal wetenschappers, chemisch, civiele en elektrische ingenieurs, biologen en computerwetenschappers hebben allemaal meegewerkt om materialen te ontwikkelen met als doel vanaf het begin op verschillende schalen te werken in plaats van ze in een later stadium te schalen. "ETH Zürich is de perfecte hub voor deze onderneming omdat het zoveel expertise heeft op alle belangrijke gebieden, ", zegt Tibbitt. Een eerste workshop en een symposium zijn gepland voor het voorjaar van 2020 voor experts om de kwestie te bespreken. Het idee is om onderzoeksvragen te definiëren en vervolgens de eerste transdisciplinaire projecten te lanceren.

Leven met geanimeerde omgevingen

Dit is een nieuwe weg van onderzoek die Chatzi en Tibbitt zijn ingeslagen, en in dit stadium zijn er veel meer vragen dan antwoorden. Een grote vraag is hoe de veiligheid en stabiliteit te waarborgen wanneer infrastructuren een eigen leven gaan leiden. Een andere is hoe mensen en dieren zullen reageren op een kunstmatige omgeving die bestaat uit levende organismen. En wat gebeurt er als een synthetisch organisme uit een nieuw bouwmateriaal uitspoelt naar de omringende wateren? "We moeten vanaf dag één nadenken over bio-ethische vragen en veiligheidsproblemen, ', zegt Tibbitt.

Dergelijke risico's bieden ook grote kansen:betonproductie is goed voor ongeveer acht procent van de huidige wereldwijde CO ₂ uitstoot. Hele stroken zandstranden worden opgeofferd aan de wereldwijde bouwhausse. Veel stortplaatsen liggen vol met puin van gesloopte gebouwen. Organische infrastructuren met gesloten materiaalkringlopen, zoals bruggen van opvallend robuuste plantaardige vezels, bieden een duurzaam alternatief. Indien beschadigd, ze konden zichzelf repareren. Aan het einde van hun levensduur, ze kunnen eenvoudig uiteenvallen in afzonderlijke composteerbare componenten.