Умные материалы, меняющие мир: мосты будут чинить сами себя, а одежда – залечивать раны

«Умные материалы» – давно уже не что-то из области научной фантастики: существует новое поколение текстур, которые могут сами измерять температуру, давление, химический состав и другие параметры окружающей среды. Такие материалы способны собирать и передавать данные в облачное хранилище, на ходу менять свои функции, чтобы реагировать на изменение условий. Они становятся практически «живыми» – и это в корне меняет привычные нам предметы. О том, как скоро мосты будут самостоятельно чиниться, а одежда сможет мониторить состояние здоровья – в материале «Йода».

Как закончилась изотропная эра

Долгое время инженерная мысль фокусировалась исключительно на материалах, которые ведут себя изотропно, то есть стабильно и предсказуемо. В изотропную эру для определенных конструкций использовался определенный материал со стабильными свойствами: это мы можем наблюдать в повседневной бытовой жизни. И мы привыкли к тому, что вещи, которыми мы пользуемся, не реагируют на наше взаимодействие с ними. Но бывает и наоборот: свойства материала изначально определяют дизайн, внешний вид предмета или конструкции, и мы можем наблюдать это в природе, во всех видах органической жизни. Например, семечка взаимодействует с окружающей средой, реагирует на нее – и получается дерево. Материалы с подобными гибкими свойствами можно использовать для решения задач, связанных с реакцией на окружающую среду.

Трансформация транспорта

Представьте себе обшивку самолета, которая сама по себе “залечивает” вмятины и царапины, зарастая, словно кожа. В изотропные времена спроектировать такое было невозможно, но в наши дни, в анизотропную эру, это уже почти реальность. И вот как это будет работать: часть самолета (например, крыло), выполненную из композитного материала, покроют тонким слоем наносенсоров. Это покрытие будет своего рода нервной системой, которая поможет крылу “осознавать” все, что происходит вокруг него – давление, температуру, любые физические и химические свойства. Когда «нервная система» крыла почувствует повреждение, она пошлет сигнал на микросферы под нанослоем обшивки, которые будут содержать специальное вещество. Сигнал заставит микросферы высвободить свое содержимое в области повреждения и как бы залечить его. Представьте, как вы наносите клей на небольшую трещину и оставляете его для затвердевания – это самая близкая аналогия.

Airbus уже начал исследования в этой области на базе Центра изучения композитных материалов Национального Университета Бристоля, приближая авиапромышленность к использованию смарт-материалов.

В автомобильной промышленности смарт-материалы могут использоваться не только для самозаживления, но и для сбора информации о ходовых свойствах, которая пригодится для усовершенствования моделей. Проект Hack Rod – команда технических специалистов и автомобильных энтузиастов в Южной Калифорнии – уже разрабатывает первый в истории автомобиль, созданный с помощью смарт-материалов и с использованием искусственного интеллекта.

Вот еще один пример: Пауло Гамейро, координатор проекта HARKEN португальского поставщика автомобильного текстиля Borgstena, разрабатывает прототип сиденья и ремня безопасности с использованием смарт-текстиля со встроенными датчиками определения частоты сердечных сокращений и дыхания водителя. Если водитель начнет засыпать за рулем, такая технология вовремя заметит это и подаст звуковой сигнал.

Обслуживание инфраструктуры

Помимо транспортной отрасли, любопытные перспективы намечаются в строительной области, где смарт-материалы могут оказать помощь в мониторинге состояния объектов. Планету опоясывает система из тысяч дорог, мостов и других составных элементов инфраструктуры, которые день за днем медленно, незаметно разрушаются. И конечно, мы не в состоянии уследить за всем и часто не замечаем, что какой-то объект пора ремонтировать.

А что, если все можно было бы построить из “умного бетона”? “Нервная система” такого бетона может постоянно контролировать и оценивать состояние объектов и инициировать самовосстановление, как только обнаружится какое-либо повреждение или износ. В Массачусетском Технологическом Университете (одно из самых престижных технологических учебных заведений в мире) существует крупный проект ZERO+, цель которого – изменить строительную отрасль именно за счет использования этих типов современных композитных материалов.

Функциональные ткани

Исследователи из Массачусетского Технологического Университета также активно занимаются разработкой современных функциональных материалов. Их задача – создать новое поколение материалов, которые будут видеть, слышать, ощущать окружающую среду, передавать информацию, хранить и преобразовывать энергию, контролировать температуру, мониторить состояние здоровья, менять цвет. Помните, как то ли в “Пятом элементе”, то ли в шедевральном “Вспомнить все” девушка-секретарь на ресепшене красила ногти, меняя цвет покрытия одним прикосновением стилуса? Так вот это уже не только голливудское кино – это реальность.

Применение функциональных тканей дает одежде возможность быть уже не просто одеждой. Все, что мы надеваем для тепла или красоты, теперь может мониторить состояние здоровья, используя неинвазивные (без внедрения в тело) способы сбора данных – анализируя химический состав пота, температуру тела, частоту пульса. Например, выпускник химического факультета Московского государственного университета разработал технологию смарт-материала, который заживляет раны и ожоги – и эта недавняя разработка уже применяется на практике в российских больницах.

Кроме того, одежда может стать портативным аккумулятором, накапливая энергию солнца. Безграничные возможности открываются в вопросе экипировки военных частей – “умная” одежда позволит быстро и эффективно адаптироваться к любым сложным условиям. Разумеется, если что-то порвется, наносенсоры ткани смогут сами залатать ее – по аналогии с вышеупомянутыми обшивкой самолета и умным бетоном.

Подобные технологии начинают все сильнее менять привычный нам мир вещей и объектов – будь то транспорт, городская инфраструктура или штаны. Материалы, которые могут не только получать информацию об окружающей среде, но и корректировать свои свойства и функции в зависимости от полученных данных, начинают активно влиять на дизайн обычных вещей. Это и есть главный потенциал смарт-материалов.