可生物降解的桥梁：响应环境的居住结构

 
研究人员正在研究新材料，以为响应其环境的居住结构奠定基础。他们的目标是创建可自我监控的基础设施，以监控其状况，甚至进行自我修复。
当Eleni Chatzi不忙于阅读有关振动桥，智能基础设施和数据驱动工程的技术论文时，她喜欢沉浸于科幻小说中。苏黎世联邦理工学院结构力学教授查兹说：“我喜欢思考非常规的想法，并想象一个尚未到来的世界。”的确，当她谈到自己的研究有一天会导致的应用时，这确实是一门科幻小说。一种这样的未来主义愿景是从少数种子中生长出来的桥梁，该桥梁完全由有机材料组成。
这位38岁的土木工程师自2010年以来就获得了AlbertLück-Stiftung的资助，专门从事结构健康监测。 Chatzi使用传感器，转换和处理信号的算法以及机器学习来诊断大坝，桥梁，风力涡轮机，飞机和车辆的健康状况。当前，工程师必须在外部安装测量张力，变形，加速度，风和应变所需的传感器，或者将这些设备整合到初始结构设计中。 Chatzi解释说：“但是，这通常是额外的费用和破坏性因素，尤其是在建筑工地上。”机组人员必须安装无数电缆，才能将测量的数据传输到中央计算机进行分析。查齐说：“这就是为什么我们希望开发具有内在智能的基础设施和机器，即使没有外部安装的传感器也可以了解其状况。”
意识混凝土
前所未有的材料类别为这种自我感知的基础结构提供了基础-过去几年来，全球研究人员一直在忙于探索其奥秘。一个例子是固有的自感应混凝土。这种材料与碳纤维，碳纳米管和镍粉混合，可以自动监控其状况，以提供有关裂纹，湿气或异常重负载的信息。通过施加电压并不断测量电阻，可以从结构中读取该数据。
具有自我修复特性的材料的第二条研究方向也相似。去年，在一个受植物光合作用启发的项目中，美国研究人员提出了一种聚合物，该聚合物可以通过与周围空气中的二氧化碳反应来自我修复。其他小组正在研究与雨水和其他湿气接触时会形成石灰的细菌。添加到混凝土中后，它们可以自行密封小裂缝。微血管网络正在进行实验，该微血管网络在发生伤害时会释放“愈合”液。它们非常像人类有机体对皮肤伤口的反应，它们聚合以填充骨折。
整合生物学功能
“我们正在看到材料科学与生物学的融合，”苏黎世联邦理工学院大分子工程实验室教授Mark Tibbitt说。他指出，过去，化学工程师和其他工程师主要是为了模仿诸如莲花的拒水能力之类的特性而寻求自然的灵感。 “今天，我们正在尝试将生物学功能整合到材料中。”材料科学和生物技术的突破推动了这些努力。 DNA工程和新的分子生物学方法(例如CRISPR / Cas基因编辑)现在可以用于将新的生物学功能引入细胞，用于非常特定的目的。使用3-D打印机进行增材制造可实现基于数据的高分辨率材料设计。 Tibbitt的研究结合了化学工程，高分子化学，材料科学和系统生物学等多个领域的概念，旨在为生物医学应用开发软组织状聚合物。
蒂比特说：“关于生物体的迷人之处在于，他们感知环境，对环境做出反应，甚至在受到伤害时能够自我治愈。我们希望将这些品质灌输到材料和基础设施中。”他认为，未来的应用可能包括室内植物，这些植物可以清洁空气并改变叶子的颜色以引起人们对空气质量的关注，以及随着季节而变化的建筑物，以保持室内气候舒适。
蒂比特(Tibbitt)一年前在一次活动上遇到了埃莱尼·查兹(Eleni Chatzi)，该活动旨在探索全新的研究途径。尽管两者的工作规模非常不同，但是他们经常谈论相同的概念。重复出现的主题包括可以“自我修复”的材料。最近，他们开始在ETH的研究人员之间就生活，自我感应和自我修复的材料和基础设施展开对话。材料科学家，化学，土木和电气工程师，生物学家和计算机科学家都已参与开发材料，目标是从一开始就以不同的比例工作，而不是在以后的阶段进行缩放。 Tibbitt说：“苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)是这家企业的理想中心，因为它在所有关键领域都拥有丰富的专业知识。”计划于2020年春季举行一个初步的研讨会和座谈会，以供专家讨论此事。这个想法是定义研究问题，然后启动第一个跨学科项目。
在动画环境中生活
这是查齐(Chatzi)和蒂比特(Tibbitt)着手的新研究途径，在这个阶段，问题多于答案。一个大问题是，当基础设施发展自己的生命时，如何确保安全性和稳定性。另一个是人类和动物将如何对由活生物体构成的工程环境做出反应。如果合成生物从一种新的建筑材料中浸出到周围的水域中，会发生什么?蒂比特说：“我们从一开始就必须考虑生物伦理问题和安全问题。”
这些风险也带来了巨大的机遇：混凝土生产约占当今全球二氧化碳排放量的8%。整个沙滩都被献给全球建设热潮。许多垃圾填埋场被拆毁的房屋堆砌成废墟。具有封闭材料循环的有机基础设施(例如由坚固的植物纤维制成的桥梁)提供了可持续的替代方案。如果损坏，他们可以自行修复。在使用寿命结束时，它们可以分解成单独的可堆肥成分。