MIT开发出了一种无需电池、自供电的传感器

MIT开发出了一种无需电池、自供电的传感器 研究人员制造了一种温度感应装置，它能从电线周围露天产生的磁场中获取能量。人们只需将传感器夹在带电导线（可能是为电机供电的导线）周围，它就会自动收集并储存能量，用来监测电机的温度。"这就是环境电能我不必通过特定的焊接连接就能获得的能量。"电子研究实验室成员、电子工程与计算机科学（EECS）伊曼纽尔-兰兹曼（Emanuel E. Landsman）教授兼机械工程学教授 Steve Leeb 说："这使得这种传感器非常容易安装。"在这篇刊登在《电气和电子工程师学会传感器杂志》1 月刊上的特写文章中，研究人员为能量收集传感器提供了一个设计指南，让工程师能够平衡环境中的可用能量和他们的传感需求。论文为能够在运行过程中持续感知和控制能量流的设备的关键组件绘制了路线图。这种多用途设计框架并不局限于收集磁场能量的传感器，还可应用于使用其他电源（如振动或阳光）的传感器。它可用于为工厂、仓库和商业空间构建安装和维护成本更低的传感器网络。"我们提供了一个无电池传感器的范例，它能做一些有用的事情，并证明这是一个切实可行的解决方案。希望其他人也能利用我们的框架来设计他们自己的传感器。"与 Monagle 和 Leeb 一起参与论文撰写的还有电子工程与科学研究生 Eric Ponce。美国海军学院武器与控制工程副教授约翰-多纳尔（John Donnal）没有参与这项工作，他研究的是监控舰船系统的技术。他说，要在舰船上获得电源是很困难的，因为插座很少，而且对可以插入哪些设备有严格限制。唐纳尔补充说："例如，持续测量泵的振动可以为船员提供轴承和支架健康状况的实时信息，但为加装的传感器供电往往需要大量额外的基础设施，以至于不值得投资。像这样的能量收集系统可以在船舶上加装各种诊断传感器，大大降低整体维护成本。"研究人员必须应对三大挑战，才能开发出一种有效、无需电池的能量收集传感器。首先，系统必须能够冷启动，这意味着它可以在没有初始电压的情况下启动电子设备。他们利用集成电路和晶体管网络实现了这一点，使系统能够储存能量，直到达到一定的阈值。只有当系统储存了足够的能量，可以完全运行时，它才会开启。其次，该系统必须在不使用电池的情况下有效地储存和转换所收集的能量。虽然研究人员可以在系统中加入电池，但这会增加系统的复杂性，并可能带来火灾风险。"您甚至可能连派出技术人员更换电池的奢望都没有。相反，我们的系统是免维护的。它可以自行采集能量并运行，"Monagle 补充道。为了避免使用电池，它们采用了内部储能技术，包括一系列电容器。电容器比电池更简单，它将能量储存在导电板之间的电场中。电容器可由各种材料制成，其功能可根据各种工作条件、安全要求和可用空间进行调整。研究小组精心设计了电容器，使其足够大，能够储存设备开启和开始收集电能所需的能量，但又足够小，充电阶段不会花费太长时间。此外，由于传感器可能会在数周甚至数月后才开启进行测量，因此他们要确保电容器能够保持足够的能量，即使有些能量会随着时间的推移而泄漏。最后，他们开发了一系列控制算法，对设备收集、储存和使用的能量进行动态测量和预算。微控制器是能源管理界面的"大脑"，它不断检查储存了多少能量，并推断是否要打开或关闭传感器、进行测量，或者将收割机调到更高的档位，以便收集更多能量，满足更复杂的传感需求。Monagle 解释说："就像骑自行车时换挡一样，能量管理界面会查看收割机的工作情况，主要是看它是踩得太用力还是太轻，然后它就会改变电子负载，从而最大限度地提高收割功率，并使收割功率与传感器的需求相匹配。自供电传感器利用这一设计框架，研究人员为一个现成的温度传感器构建了一个能量管理电路。该设备采集磁场能量并用于持续采样温度数据，然后通过蓝牙将数据发送到智能手机接口。研究人员使用超低功耗电路来设计该装置，但很快发现，这些电路在崩溃前可承受的电压有严格限制。收集过多的电能可能会导致设备爆炸。为了避免这种情况，他们在微控制器中的能量收集器操作系统会在存储的能量过多时自动调整或减少收集量。他们还发现，通信传输温度传感器收集的数据是迄今为止最耗电的操作。Monagle说："确保传感器有足够的存储能量来传输数据是一项长期的挑战，需要精心设计。"未来，研究人员计划探索能耗较低的数据传输手段，如使用光学或声学。他们还希望更严格地模拟和预测进入系统的能量，或传感器测量所需的能量，以便设备能有效地收集更多数据。"如果你只进行你认为需要的测量，你可能会错过一些真正有价值的东西。如果有更多的信息，你可能会了解到一些你意想不到的设备运行情况。我们的框架可以让您平衡这些考虑因素，"Leeb 说。"这篇论文详细阐述了实用的自供电传感器节点在现实场景中的内部结构。"佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院电气与计算机工程助理教授 Jinyeong Moon 说："整体设计指南，尤其是冷启动问题，非常有帮助。计划为无线传感器节点设计自供电模块的工程师将从这些指南中获益匪浅，轻松勾选传统上与冷启动相关的繁琐清单。"这项工作得到了海军研究办公室和 Grainger 基金会的部分支持。 ... PC版： 手机版：

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代 麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者 Yogesh Surendranath 说："我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质，这与催化反应有关，而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中，研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液 pH 值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯（Noah Lewis）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后 Ryan Bisbey、麻省理工学院研究生 Karl Westendorff 和耶鲁大学研究科学家 Alexander Soudackov 也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子（通常是水或酸）将质子转移到另一种分子或电极表面，从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤，对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要，"Surendranath 说。在制氢电解槽中，这种方法用于从水中去除质子，并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中，当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时，就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子（右图）转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极，麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源：研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见，例如二氧化碳还原（通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料）。当质子接受体是分子时，科学家们可以精确控制每个分子的结构，并观察电子和质子如何在分子间传递，因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而，当质子耦合电子转移发生在电极表面时，这一过程就更难研究了，因为电极表面通常非常异质，质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法，使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成，表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子，它可以接受周围溶液中的质子，从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath 说："我们可以创造出一种电极，它不是由各种各样的位点组成，而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列，每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点，这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统，研究人员能够测量流向电极的电流，从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现，周围溶液的 pH 值对这一速率有显著影响： 最高速率出现在 pH 值的两端酸性最强的 pH 值为 0，碱性最强的 pH 值为 14。为了解释这些结果，研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中，强酸性溶液中高浓度的氢离子（H3O+）将质子传递给表面的氧离子，生成水。在第二种情况下，水将质子传递给表面氧离子，生成氢氧根离子（OH-），氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过，pH 值为 0 时的速度比 pH 值为 14 时的速度快四倍，部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现，这两个反应的速率并不是在中性 pH 值为 7（氢铵和氢氧根的浓度相等）时相等，而是在 pH 值为 10（氢氧根离子的浓度是氢铵的 100 万倍）时相等。该模型表明，这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说，关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定，前向反应和后向反应对总速率的贡献相同，因此新发现表明，可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说："这是默认的假设，即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界，因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说："通过我们的系统，我们知道我们的位点是恒定的，不会相互影响，因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily ... PC版： 手机版：

俄罗斯方块启发麻省理工学院在核安全技术方面取得突破

俄罗斯方块启发麻省理工学院在核安全技术方面取得突破 基于"俄罗斯方块"游戏的新型探测器系统可以为监测核基地提供廉价、精确的辐射探测器。图片来源：Ella Maru Studio受"俄罗斯方块"启发的创新传感器设计现在，麻省理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员已经找到了一种计算方法，可以设计出非常简单、精简的传感器装置，从而精确定位分布式辐射源的方向。该装置以简单的四面体为基础，可以确定辐射源的方向和距离，但探测器像素较少。他们还证明，通过移动传感器获得多个读数，就能精确定位辐射源的物理位置。他们巧妙创新的灵感来自一个令人惊讶的来源：流行的电脑游戏"俄罗斯方块"。麻省理工学院教授李明达、Benoit Forget、高级研究科学家胡令文、首席研究科学家 Gordon Kohse、研究生 Ryotaro Okabe 和 Shangjie Xue、LBNL 的研究科学家 Jayson Vavrek SM '16、PhD '19，以及麻省理工学院和劳伦斯伯克利大学的其他一些人在《自然-通讯》上发表的一篇论文中描述了该团队的研究成果，这些研究成果很可能被推广到其他类型辐射的探测器中。辐射传感的技术进步检测辐射通常使用半导体材料，如碲化镉锌，这种材料在受到伽马射线等高能辐射照射时会产生电反应。但由于辐射很容易穿透物质，因此很难通过简单的计数来确定信号的来源。例如，盖革计数器在接收到辐射时只会发出"咔嗒"声，而无法确定辐射的能量或类型，因此要找到辐射源就需要四处走动，试图找到最大的声音，这与手持式金属探测器的工作原理类似。这个过程需要用户靠近辐射源，这可能会增加风险。为了在不太靠近的情况下提供来自静止设备的方向信息，研究人员使用了一个探测器网格阵列和另一个称为掩膜的网格，掩膜会在阵列上印上根据信号源方向不同而不同的图案。每一个单独的探测器或像素接收到的信号的时间和强度不同，需要通过算法来解释。这通常会导致探测器的复杂设计。用"俄罗斯方块"形状简化检测程序用于感应辐射源方向的典型探测器阵列既庞大又昂贵，在一个 10×10 的阵列中至少包括 100 个像素。然而，该研究小组发现，只要使用四个像素，按照"俄罗斯方块"游戏中的四叶草形状排列，就能接近大型昂贵系统的精确度。关键在于根据每个传感器检测到信号的时间以及每个传感器检测到信号的相对强度，对射线的到达角度进行适当的计算机重建。研究人员尝试了四种不同的像素配置（正方形、S 形、J 形或 T 形），通过反复实验，他们发现 S 形阵列的结果最为精确。这种阵列提供的方向读数精确度在 1 度以内，但所有三种不规则形状的阵列都比正方形阵列表现更好。李说，"这种方法的灵感来自于'俄罗斯方块'"。使系统正常工作的关键是在像素之间放置一种绝缘材料，如铅板，以增加从不同方向进入探测器的辐射读数之间的对比度。这些简化阵列中像素之间的铅片与大型阵列系统中使用的更复杂的阴影遮罩具有相同的功能。研究小组发现，不那么对称的排列能从小型阵列中提供更有用的信息，该研究的主要作者 Okabe 解释说。简化辐射探测器的优势"使用小型探测器的优点在于工程成本方面。不仅单个检测器元件（通常由碲锌镉或 CZT 制成）价格昂贵，而且从这些像素获取信息的所有互连也变得复杂得多。"李补充说："就应用而言，探测器越小越简单越好。"虽然也有其他版本的简化阵列用于辐射探测，但许多阵列只有在辐射来自单一局部来源时才有效。这项工作的共同第一作者Xue补充说，它们可能会被多个辐射源或分散在空间的辐射源所混淆，而基于"俄罗斯方块"的版本则能很好地处理这些情况。实地测试和实际意义麻省理工学院的研究人员在不知道地面真实辐射源位置的情况下，在伯克利实验室用一个真实的铯辐射源进行了单盲现场测试，测试装置在找到辐射源的方向和距离方面具有很高的准确性。合著者、麻省理工学院核工程教授兼核科学与工程系主任 Forget 说："辐射绘图对核工业至关重要，因为它有助于快速定位辐射源，保证每个人的安全。"另一位共同第一作者瓦夫雷克说，虽然他们的研究重点是伽马射线源，但他认为他们开发的从有限像素中提取方向信息的计算工具"要通用得多"。它并不局限于某些波长，还可以用于中子，甚至其他形式的光，如紫外线。麻省理工学院核反应堆实验室的资深科学家胡补充说，使用这种基于机器学习的算法和空中辐射探测，"可以对辐射事故进行实时监测和综合应急规划"。爱达荷国家实验室防御系统分部的科学家尼克-曼恩说："这项工作对美国应对界和日益严重的放射性事件或事故威胁至关重要。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院的超声波技术突破让非侵入性脑部治疗进入新时代

麻省理工学院的超声波技术突破让非侵入性脑部治疗进入新时代 ImPULS 设备包含封装在聚合物中的超声波传感器和电极（金）。图片来源：研究人员提供通过植入电极向大脑输送电脉冲的深部脑刺激疗法通常用于治疗帕金森病和其他神经系统疾病。然而，这种治疗方法所使用的电极最终会腐蚀并积累疤痕组织，需要将其移除。现在，麻省理工学院的研究人员开发出了一种替代方法，即使用超声波而不是电力来进行深部脑刺激，由一根头发丝粗细的纤维传递。在对小鼠的研究中，他们发现这种刺激可以触发神经元释放多巴胺，而多巴胺通常是帕金森病患者大脑中的一部分。"通过使用超声波技术，我们可以创造一种新的方式来刺激大脑深部的神经元发射，"麻省理工学院媒体实验室副教授、这项新研究的资深作者卡南-达格德维仁（Canan Dagdeviren）说。"这种装置比头发丝还要细，因此对组织的损伤可以忽略不计，而且我们很容易在大脑深部导航这种装置。"除了提供一种更安全的深部脑刺激方法外，这种方法还可能成为研究人员了解大脑工作原理的重要工具。麻省理工学院研究生杰森-侯（Jason Hou）和麻省理工学院博士后奥斯曼-高尼-纳耶姆（Md Osman Goni Nayeem）是这篇论文的主要作者，其他合作者来自麻省理工学院麦戈文脑研究所、波士顿大学和加州理工学院。该研究报告于6月4日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。达格德维仁的实验室以前曾开发过可穿戴超声波设备，可用于通过皮肤给药或对各种器官进行诊断成像。然而，超声波无法通过附着在头部或头骨上的设备深入大脑。"如果我们想进入大脑深层，那么它就不能再仅仅是可穿戴或可附着的了。它必须是可植入的，"Dagdeviren 说。"我们精心定制设备，使其具有微创性，避开大脑深部的主要血管"。美国食品和药物管理局已批准使用电脉冲深部脑刺激治疗帕金森病症状。这种方法使用毫米厚的电极来激活大脑黑质区域中产生多巴胺的细胞。然而，一旦植入大脑，设备最终会开始腐蚀，植入物周围形成的疤痕组织会干扰电脉冲。新方法通过一根头发丝粗细的纤维传递超声波。图片来源：研究人员提供麻省理工学院的研究小组开始研究能否用超声波取代电刺激，从而克服其中的一些缺点。大多数神经元都有能对机械刺激（如声波的振动）做出反应的离子通道，因此超声波可用来激发这些细胞的活动。然而，现有的通过头骨向大脑输送超声波的技术无法高精度地深入大脑，因为头骨本身会干扰超声波，导致刺激偏离目标。Nayeem说："要精确调节神经元，我们必须深入到更深的区域，这促使我们设计出一种新型超声植入物，它能产生局部超声场。为了安全地到达大脑深部区域，研究人员设计了一种由柔性聚合物制成的细如发丝的纤维。纤维的顶端包含一个鼓状超声换能器，换能器上有一层振动膜。这层薄膜包裹着一层薄薄的压电薄膜，当这层薄膜被微小的电压驱动时，就会产生超声波，附近的细胞就能检测到这些超声波。"Hou说："它对组织安全，没有裸露的电极表面，而且功耗很低，这对转化为病人使用是个好兆头。"在对小鼠进行的试验中，研究人员发现，这种被称为ImPULS（可植入压电超声刺激器）的超声装置可以激发海马神经元的活动。然后，他们将这种纤维植入产生多巴胺的黑质，结果表明，这种纤维可以刺激背侧纹状体的神经元产生多巴胺。"刺激大脑一直是恢复大脑健康最有效但最不为人所知的方法之一。ImPULS让我们有能力以精确的时空分辨率刺激脑细胞，而且不会像其他方法那样产生损伤或炎症。"波士顿大学心理与脑科学助理教授、波士顿大学系统神经科学中心（Center for Systems Neuroscience）教员史蒂夫-拉米雷斯（Steve Ramirez）也是这项研究的作者之一。在新系统中，传感器（银色）由导线（金色）供电，导线可提供电刺激。图片来源：研究人员提供该装置的所有组件都具有生物兼容性，包括压电层，它是由一种名为铌酸钠钾（或 KNN）的新型陶瓷制成的。目前的植入物由外部电源供电，但研究人员设想未来的植入物可以由小型植入式电池和电子装置供电。研究人员开发了一种微加工工艺，使他们能够轻松改变纤维的长度和厚度，以及压电换能器产生的声波频率。这样就能为不同的大脑区域定制设备。Dagdeviren说："我们不能说这种装置会对大脑的每个区域产生同样的效果，但我们可以非常自信地说，这种技术是可扩展的，而且不仅适用于小鼠。我们还可以把它做得更大，以便最终用于人类。"研究人员现在计划研究超声波刺激会如何影响大脑的不同区域，以及这种装置在植入一年后能否保持功能。他们还对加入微流体通道的可能性很感兴趣，这样就能让装置在传递超声波的同时传递药物。研究人员说，除了有望成为帕金森病或其他疾病的潜在治疗手段外，这种超声波设备还可以成为帮助研究人员进一步了解大脑的宝贵工具。"我们的目标是将其作为一种研究工具提供给神经科学界，因为我们认为我们没有足够的有效工具来了解大脑，"Dagdeviren 说。"作为设备工程师，我们正在努力提供新的工具，以便我们能够更多地了解大脑的不同区域。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院的可穿戴超声波贴纸可监测深层内脏器官的健康状况

麻省理工学院的可穿戴超声波贴纸可监测深层内脏器官的健康状况 麻省理工学院机械工程系教授 Xuanhe Zhao 说："我们利用先进的制造技术，从高质量压电材料中切割出小型传感器，从而设计出微型化的超声波贴纸。"图片来源：研究人员提供在最近发表在《科学进展》（Science Advances）上的一项开放存取研究中，研究小组报告说，传感器可以将声波穿过皮肤传入人体，声波在人体内部器官上反射后再传回贴纸。反射波的模式可被解读为器官僵硬度的特征，贴纸可对其进行测量和跟踪。器官监测的进展"当一些器官发生疾病时，它们会随着时间的推移而变得僵硬，"论文的资深作者、麻省理工学院机械工程系教授赵宣和说。"有了这种可穿戴贴纸，我们就可以长时间持续监测硬度的变化，这对于早期诊断内脏器官衰竭至关重要。"研究小组证明，这种粘贴传感器可以在 48 小时内持续监测器官的硬度，并检测出可能预示疾病进展的微妙变化。在初步实验中，研究人员发现这种粘性传感器可以检测到大鼠急性肝功能衰竭的早期迹象。佩戴在皮肤上的小型超声波贴纸可以监测身体深处器官的硬度。麻省理工学院开发的这种传感器可以检测肝脏和肾脏衰竭等疾病的迹象以及实体瘤的进展情况。图片来源：研究人员提供工程师们正在努力将这种设计应用于人体。他们设想，这种贴纸可以用于重症监护室（ICU），在那里，低调的传感器可以持续监测器官移植后正在康复的病人。"我们设想，就在肝脏或肾脏移植手术之后，我们可以把这种贴纸贴在病人身上，观察器官的硬度在几天内的变化情况，"领衔作者刘孝全说。"如果有任何急性肝衰竭的早期诊断，医生就可以立即采取行动，而不是等到病情变得严重时才采取行动。"研究进行时，刘晓川是麻省理工学院的访问科学家，目前是南加州大学的助理教授。该研究的麻省理工学院合著者包括陈晓宇（Xiaoyu Chen）和王崇和（Chonghe Wang），以及USC南加州大学的合作者。超声弹性成像及其局限性就像我们的肌肉一样，随着年龄的增长，体内的组织和器官也会变得僵硬。在某些疾病的影响下，器官僵化会变得更加明显，预示着健康状况可能会急剧下降。目前，临床医生有办法利用超声弹性成像技术来测量肾脏和肝脏等器官的僵硬程度，这种技术类似于超声波成像，技术人员在皮肤上操作一个手持探头或探棒。探头通过身体发出声波，导致内部器官轻微振动并发出声波。探头会感应到器官感应到的振动，而振动的模式可以转化为器官的晃动或僵硬程度。超声弹性成像技术通常用于重症监护病房，以监测近期接受器官移植的病人。技术人员会在手术后不久定期检查病人，快速探查新器官，寻找僵化迹象和潜在的急性衰竭或排斥反应。图片来源：研究人员提供另一位资深作者、南加州大学教授周其发（Qifa Zhou）说："器官移植后，重症监护室的前72小时最为关键。传统的超声波检查需要将探头对准身体。但你无法长期持续这样做。医生可能会错过关键时刻，意识到器官衰竭时为时已晚。"研究小组意识到，他们或许能提供一种更连续、可穿戴的替代方案。他们的解决方案扩展了他们之前开发的超声波贴纸，用于对深层组织和器官进行成像。赵解释说："我们的成像贴只能捕捉纵波，而这次我们想捕捉剪切波，它能告诉你器官的刚性。"现有的超声弹性成像探头可测量剪切波或器官对声波脉冲的振动。剪切波在器官中传播的速度越快，说明器官越坚硬。(想想水球和足球的反弹力）。超声波技术的创新研究小组希望将超声弹性成像技术微型化，使其适合贴在邮票大小的贴纸上。他们还希望保持与商用手持探头相同的灵敏度，手持探头通常包含约128个压电换能器，每个换能器都能将传入的电场转化为传出的声波。周说："我们利用先进的制造技术，从高质量压电材料中切割出小型传感器，从而设计出微型化的超声贴纸。"研究人员精确地制造了 128 个微型传感器，并将其集成到一个 25 毫米见方的芯片上。他们在芯片的底部衬上了一种由水凝胶制成的粘合剂一种由水和聚合物混合而成的具有粘性和伸缩性的材料，它能让声波几乎无损耗地进出设备。在初步实验中，研究小组在老鼠身上测试了硬度感应贴纸。他们发现，贴纸能够在48小时内连续测量肝脏硬度。从贴纸收集到的数据中，研究人员观察到了急性肝衰竭的明显早期迹象，随后他们通过组织样本证实了这一点。一旦肝脏衰竭，器官的硬度将增加数倍。赵补充说："健康的肝脏就像煮熟的鸡蛋一样摇摇晃晃，而患病的肝脏则更像煮熟的鸡蛋。而这种贴纸可以捕捉到身体深处的这些差异，并在器官衰竭发生时发出警报。"研究小组正与临床医生合作，将这种贴纸应用于重症监护室的器官移植康复病人。在这种情况下，他们预计贴纸目前的设计不会有太大变化，因为它可以贴在病人的皮肤上，它发出和接收的任何声波都可以由连接到贴纸上的电子设备传递和收集，类似于医生办公室里的电极和心电图机。未来的应用和影响哈佛大学医学院医学副教授、布里格姆妇女医院副生物工程师 Shrike Zhang 说："这个系统的真正魅力在于，由于它现在是可穿戴的，因此可以实现低重量、可适配和长时间的持续监测，这不仅可以让病人在实现对疾病进展的长期、几乎实时监测的同时减少痛苦，还可以让训练有素的医院人员腾出时间来从事其他重要工作"。他没有参与这项研究。研究人员还希望将这种贴纸改装成更便携的自封式版本，将其所有配套电子设备和处理过程小型化，装入一个稍大的贴片中。然后，他们设想病人可以在家中佩戴这种贴纸，对病情进行较长时间的连续监测，如实体瘤的进展情况，众所周知，实体瘤会随着病情的严重而变硬。"我们相信这是一个拯救生命的技术平台，"赵说。"我们认为，未来人们只需在身上贴几张贴纸，就能测量许多生命信号，并对体内主要器官的健康状况进行成像和追踪。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击 这就是麻省理工学院工程师在微观超材料实验中的发现这些材料是有意打印、组装或以其他方式设计的，其微观结构赋予了材料整体特殊的性能。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，工程师们报告了一种快速测试超材料结构阵列及其对超音速撞击的适应性的新方法。通过以超音速发射微粒子，麻省理工学院的工程师们可以测试各种超材料的弹性，这些超材料是由小到一个红血球的结构制成的。图为微粒子撞击超材料结构的四段视频截图。图片来源：研究人员提供在实验中，研究小组将印刷好的微小超材料晶格悬挂在微观支撑结构之间，然后以超音速向材料发射更微小的粒子。然后，研究小组利用高速摄像机以纳秒级的精度捕捉每次撞击及其后果的图像。他们的研究发现了一些超材料结构，与完全固态、非结构化的同类材料相比，它们更能抵御超音速撞击。研究人员说，他们在微观层面观察到的结果可以推广到类似的宏观冲击，从而预测新材料结构在不同长度尺度上如何抵御现实世界中的冲击。研究人员打印出错综复杂的蜂窝状材料，悬浮在相同材料的支撑柱之间（如图）。这种微观结构的高度相当于人类三根头发的宽度。图片来源：研究人员提供"我们正在学习的是，材料的微观结构很重要，即使在高速变形的情况下也是如此，"研究报告的作者、麻省理工学院机械工程系教授卡洛斯-波特拉（Carlos Portela）说。"我们希望找出抗冲击结构，将其制成涂层或面板，用于航天器、车辆、头盔以及任何需要轻质和保护的物体。"该研究的其他作者包括第一作者、麻省理工学院研究生托马斯-布特鲁伊尔（Thomas Butruille）和DEVCOM陆军研究实验室的约书亚-克龙（Joshua Crone）。纯粹的影响团队的新高速实验建立在之前工作的基础上，工程师们在实验中测试了一种超轻碳基材料的韧性。这种材料比人的头发丝还细，由微小的碳支柱和碳束制成，研究小组打印了这些碳支柱和碳束，并将其放置在玻璃载玻片上。然后，他们以超过音速的速度向材料发射微粒子。这些超音速实验表明，微结构材料能够承受高速撞击，有时能使微粒子偏转，有时则能捕获它们。Portela说："但有许多问题我们无法回答，因为我们是在基底上测试材料，这可能会影响它们的行为。"麻省理工学院的工程师们捕捉到了微粒子通过精确设计的超材料发射的视频，其测量厚度比人的头发丝还细。图片来源：研究人员提供在他们的新研究中，研究人员开发了一种测试独立超材料的方法，以观察材料在没有背衬或支撑基底的情况下，自身如何承受撞击。在目前的设置中，研究人员将感兴趣的超材料悬挂在两根由相同基础材料制成的微型支柱之间。根据被测试超材料的尺寸，研究人员计算出两根支柱必须相距多远，才能在两端支撑材料，同时让材料对任何冲击做出反应，而不受支柱本身的影响，这样就能确保我们测量的是材料特性，而不是结构特性。研究小组确定了支柱支撑设计后，便开始测试各种超材料架构。对于每种结构，研究人员首先在一个小型硅芯片上打印出支撑柱，然后继续打印超材料作为柱子之间的悬浮层，在一个芯片上打印和测试数百个这样的结构。穿孔和裂缝研究小组打印出的悬浮超材料类似于错综复杂的蜂巢状截面。每种材料都印有特定的三维微观结构，如重复八面体或多面体多边形的精确支架。每个重复单元的大小与一个红血球相当。由此产生的超材料比人的头发丝还要细。随后，研究人员以每秒 900 米（每小时 2000 多英里）的速度 - 完全在超音速范围内向这些结构发射玻璃微粒子，测试每种超材料的抗冲击能力。他们用相机捕捉了每次撞击，并逐帧研究了生成的图像，以了解射弹是如何穿透每种材料的。接下来，他们在显微镜下检查了这些材料，并比较了每次撞击的物理后果。波特拉说："在建筑材料中，我们看到了撞击后小圆柱形弹坑的形态。但在固体材料中，我们看到了许多径向裂缝和被刨出的大块材料"。总之，研究小组观察到，发射的粒子在晶格超材料上造成了小的穿孔，而材料却保持完好无损。与此相反，当以相同的速度将相同的粒子发射到质量相等的非晶格固体材料中时，它们会产生大裂缝，并迅速扩散，导致材料破碎。因此，微结构材料能更有效地抵御超音速撞击以及多重撞击。尤其是印有重复八面体的材料似乎最坚硬。意见和未来方向"在相同的速度下，我们看到八面体结构更难断裂，这意味着单位质量的超材料能够承受的冲击力是块状材料的两倍，"波特拉说。"这告诉我们，有一些结构可以使材料变得更坚硬，从而提供更好的冲击保护"。展望未来，该团队计划利用新的快速测试和分析方法来确定新的超材料设计，希望能标记出可升级为更坚固、更轻便的防护装备、服装、涂层和镶板的架构。波特拉说："最让我兴奋的是，我们可以在台式机上进行大量这些极端实验。这将大大加快我们验证新型高性能弹性材料的速度。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：