高速公路,治愈自己

在最近的一个密集开车沿着公路走廊从纽约到波士顿,一个小时的交通堵塞很快刹住明亮,阳光明媚的早晨。

“这必须是一个偶然,”我想。

但是,当我终于能够挤过一个车道还开着,我意识到真正的延迟来源:两人铲冷沥青的自动倾卸卡车的后面,却一路跚跚而来的警车闪烁。

他们把颗粒碎片到所有冬季凹坑他们可以现货,指望我们司机来控制下来。沿着路边,至少我可以看到这些片段实际上最终的四分之一。

我是怀疑的,但它让我思考材料和一些聪明的创新已经发达,可能阻止这昂贵的延迟为成千上万的乘客,更不用说所造成的损害的凹坑。

除了成本是安全的问题,这不是微不足道的,最近的事件在尼泊尔。以较低的成本提供更少的脆弱材料可以拯救生命。

潜在的环境风险也很高。减少温室气体排放和使用的能源生产混凝土消除维护和拉伸材料寿命,一个新的世界的好处可以从更聪明和更安全的结构演变。

生物学能帮助使“愚蠢的材料”更聪明吗?

其中的一个创新是由Erik Schlangen和土木工程团队代尔夫特理工大学在荷兰。他们增加了另一种成分的传统复合沥青和骨料:钢。

然而,钢铁的目的不是结构。细链作为散热片,喜欢咖啡的技巧将金属勺子放入一个玻璃前添加一个热的液体。勺子的热容量低意味着其温度将上升速度比脆弱的玻璃,从而防止粉碎。

当一个感应加热器通过沥青,金属达到足够高的温度融化的沥青和填补裂缝。然后沥青变硬和海豹的裂纹,当热移除。

Schlangen安装了一个400米测试区对荷兰公路和鼓励技术仍处于发展阶段。他估计,通过与他们所谓的“治疗机器”每四年的生命周期平均水平的两倍,节省很多钱改善资本成本。

而不是“自我修复”,人们仍然需要热源机运行,荷兰沥青的例子是越来越多的智能材料的一部分,将增加耐用性和弹性的结构。

自然提供了这些创新的模型数,但重要的是认识到翻译的局限性从生物技术。

在许多自然过程一样,复杂的信息传输驱动这些日常的奇迹。例如,当你减少你的皮肤,你的身体立即响应。

数以百万计的微小的神经末梢的皮肤已暗示身体收缩血管领域的伤口。酶的泄露撕裂血管启动血小板流向网站插头的眼泪,形成纤维蛋白网与凝血蛋白。这个网络最终将形成熟悉痂的伤口。

一旦控制出血,身体发出了白细胞对抗任何外国对象。当流和感染控制,成纤维细胞被发送到该网站重建皮肤产生胶原蛋白的蛋白质结构下的痂,包括必要的血管携带氧气。

大多数工程师自我修复的概念应用到我们的一些“愚蠢”的材料,沥青和混凝土,不试图模仿一个复杂的生物过程的细节,但控制简单的基本反应或结构。这可能是有用的区分自动封闭的和自愈。

自然隐喻从我们上面的例子会形成痂的伤口,而不是皮肤的再生。然而,真正的自我修复材料需要结构完整性恢复。

混凝土开裂的情况下不可持续

混凝土的混合水,波特兰水泥和骨料。而承受很大的压应力,这种物质很弱紧张——这就是钢筋的原因是经常为强化补充道。材料,如玻璃纤维也被成功添加到帮助当地的抗拉强度。

尽管这些改进,开裂仍然发生和最具体的历史使用继承这个裂缝的控制,而不是预防。

当水进入裂缝,它加速增长,特别是如果冻融是当地政权的一部分。楔入等杂散微粒和化学物质的入侵的氯化物盐水也担忧的原因。

在伊利诺伊大学香槟分校,工程师正在调查使用常见的土壤细菌时创建一个生物矿物由氧气和pH值的变化引起的裂缝。

这是利用以及bio-inspiration,巴氏细菌被播种到混凝土混合,不活跃,直到提示生成碳酸钙,他们自然会在石灰岩。

在根特大学,研究人员观察三个材料实现自修复添加剂:细菌、水凝胶和聚合物。在根特的过程中,细菌是由水入侵生物矿物沉淀。

细菌喜欢水中的微量及其随后的代谢产生的碳酸钙海豹的裂缝。

研究人员考察了使用水凝胶结合细菌生物矿化的援助。水凝胶是由许多材料,但杰出的吸收水分的能力,往往许多数百次自己的重量。

他们网络交联的聚合物链的亲水性基团。从相位角度来看,它们是有趣的,因为他们可以分为固体和液体,但性能的影响;它们包含50 - 90水但不能溶解。

因此,凝胶将存在和行为有点像固体,因为三维交联的聚合物链。我上面提到的血块是水凝胶的例子,是软骨,眼睛的玻璃体,肌腱和身体的粘液。

在根特混凝土混合水凝胶,保护细菌免受混合的压力和注入和收集细菌的侵入水。

根特的研究人员还在研究如何使用现有的合成聚合物表面密封剂的内部混凝土和正在尝试不同类型的易碎的胶囊。挑战包括实现均匀分布和发展汽车能够承受的力量混合浇注,但后来由于开裂。

借用身体

也许最直接的研究自然改善混凝土,Schlangen的实验室成员在代尔夫特受骨骼的结构和行为。

除了活组织,骨是一个典型的例子是一个分层结构复合材料,和代尔夫特团队试图将这些属性多孔混凝土网络。

在宏观尺度上,工程师们试图模仿骨骼结构的两种基本类型:硬(皮质)和软(松质)。然后压缩成三个步骤的过程中,他们观察到的骨愈合:炎症;骨生产;和骨重建。

由此产生的原型是一个三明治的艰苦,self-compacted混凝土周围的一个内部层
的多孔混凝土两部分环氧树脂可以注射。

多孔层第一次充满了PVA混合溶解后所有电梯被压实,治愈,留下的空洞。然后他们取得的外层测试和环氧注入多孔层和中间有一个成功的裂纹扩展。

与许多其他的技术,该方法将依赖于传感器和致动器,而不是生理反应的材料,采用响应。

但是这种方法提出了独特的挑战,准确定位优惠和调整压力和粘度的环氧树脂的出口全熔透。

这些只是几个战术把某些生活进入我们的道路和建筑。他们会产生广泛的影响,如果能够降低成本并使制造技术扩大规模。

目前五大策略用于工业:化学封装;细菌封装;在脆性管化学物质;定制的外加剂;和纤维。一般来说,更可持续的替代老式的好处具体可能包括更有弹性的基础设施,更好的安全性,节约成本和提高环境的可持续性。必威体育2018

如果社会是生产事情更高效,成本更低,能源和原材料,然后是一个仿生方法通常很有用。当谈到我们构建我们的道路,大自然的灵感的最大点就会自愈。