Os pesquisadores estão procurando novos materiais para lançar as bases para estruturas vivas que respondem ao seu ambiente. Eles visam criar infraestruturas autossustentáveis ​​que possam monitorar suas condições e até mesmo se auto-reparar.

Quando Eleni Chatzi não está ocupada lendo artigos técnicos sobre pontes vibratórias, infraestruturas inteligentes e engenharia orientada a dados, ela gosta de mergulhar em romances de ficção científica. "Gosto de ponderar sobre ideias não convencionais e imaginar um mundo que ainda está por vir, "diz Chatzi, Professor de Mecânica Estrutural na ETH Zurich. De fato, há um toque de ficção científica nisso quando ela fala sobre aplicações às quais sua pesquisa pode um dia levar. Uma dessas visões futuristas são as pontes que crescem a partir de um punhado de sementes e consistem inteiramente de material orgânico.

Este engenheiro civil de 38 anos, cuja cátedra recebeu financiamento do Albert Lück-Stiftung desde 2010, é especializada em monitoramento de integridade estrutural. Chatzi diagnostica a saúde das barragens, pontes, turbinas eólicas, aeronaves e veículos usando sensores, algoritmos que convertem e processam sinais, e aprendizado de máquina. Atualmente, os engenheiros precisam instalar externamente os sensores necessários para medir a tensão, deformação, aceleração, vento e tensão, ou incorporar esses dispositivos no projeto estrutural inicial. "Contudo, isso geralmente é uma despesa extra e um fator perturbador, especialmente em canteiros de obras, "explica Chatzi. As tripulações têm que instalar inúmeros cabos para transmitir os dados medidos a um computador central para análise." É por isso que gostaríamos de desenvolver infraestruturas e máquinas com inteligência intrínseca que estão cientes de sua condição, mesmo sem sensores montados externamente, "diz Chatzi.

Concreto consciente

Uma classe de materiais sem precedentes fornece a base para esse tipo de infraestrutura autoconsciente - e pesquisadores em todo o mundo têm estado ocupados explorando seus mistérios nos últimos anos. Um exemplo é o concreto autossensível intrínseco. Misturado com fibras de carbono, nanotubos de carbono e pó de níquel, este material monitora sua condição de forma autônoma para fornecer informações sobre trincas, umidade ou cargas excepcionalmente pesadas. Esses dados são extraídos da estrutura aplicando tensão e medindo constantemente a resistência elétrica.

Uma segunda linha de pesquisa em materiais com propriedades de autocura aponta em uma direção semelhante. Ano passado, em um projeto inspirado na fotossíntese das plantas, Pesquisadores americanos apresentaram um polímero que pode se auto-regenerar reagindo com o dióxido de carbono do ar circundante. Outros grupos estão trabalhando com bactérias que formam cal quando expostas à água da chuva e outras umidade. Adicionado ao concreto, eles podem selar pequenas rachaduras por conta própria. Experimentos estão em andamento com redes microvasculares que liberam fluidos de "cura" quando ocorre uma lesão. Respondendo muito como o organismo humano a uma ferida na pele, eles polimerizam para preencher as fraturas.

Incorporando funções biológicas

"Estamos vendo uma fusão de ciência de materiais e biologia, "diz Mark Tibbitt, Professor do Laboratório de Engenharia Macromolecular da ETH Zurique. Ele observa que, no passado, químicos e outros engenheiros tinham olhado para a natureza principalmente em busca de inspiração para imitar propriedades como a capacidade da flor de lótus de repelir água. "Hoje, estamos tentando incorporar funções biológicas em materiais. "Esses esforços são alimentados por avanços na ciência de materiais e biotecnologia. Engenharia de DNA e novos métodos de biologia molecular, como edição de genes CRISPR / Cas, agora podem servir para introduzir novas funções biológicas em células por muito fins específicos. A manufatura aditiva usando impressoras 3-D permite alta resolução, design de material baseado em dados. Combinando conceitos de vários campos - engenharia química, química de polímero, ciência dos materiais e biologia de sistemas - a pesquisa de Tibbitt visa desenvolver soft, polímeros semelhantes a tecidos para aplicações biomédicas.

"O fascinante sobre os organismos vivos é que eles percebem seu ambiente, reagir a ele e até mesmo se curar quando ferido. Queremos incutir essas qualidades em materiais e infraestruturas, "diz Tibbitt. Ele acredita que aplicações futuras podem incluir plantas domésticas que limpam o ar e mudam a cor de suas folhas para chamar a atenção para a qualidade do ar, e edifícios que mudam com as estações para manter o clima interior confortável.

Tibbitt conheceu Eleni Chatzi há um ano em um evento para explorar caminhos radicalmente novos de pesquisa. Embora os dois funcionem em escalas muito diferentes, eles freqüentemente falam sobre os mesmos conceitos. Tópicos recorrentes incluem materiais que podem "curar" a si próprios. Recentemente, eles começaram a fomentar o diálogo entre os pesquisadores da ETH sobre a vida, materiais e infraestruturas de detecção e autocura. Cientistas de materiais, químico, engenheiros civis e elétricos, biólogos e cientistas da computação se uniram para desenvolver materiais com o objetivo de trabalhar em diferentes escalas desde o início, em vez de dimensioná-los em um estágio posterior. "A ETH Zurique é o hub perfeito para este empreendimento porque tem muita experiência em todas as áreas-chave, "diz Tibbitt. Um workshop inicial e um simpósio estão programados para acontecer na primavera de 2020 para especialistas discutirem o assunto. A ideia é definir as questões de pesquisa e, em seguida, lançar os primeiros projetos transdisciplinares.

Viver com ambientes animados

Este é um novo caminho de pesquisa que Chatzi e Tibbitt embarcaram, e, neste estágio, há muito mais perguntas do que respostas. Uma grande questão é como garantir segurança e estabilidade quando as infraestruturas desenvolvem vida própria. Outra é como os humanos e os animais vão reagir a um ambiente projetado que consiste em organismos vivos. E o que acontece se um organismo sintético vazar de um novo material de construção para as águas circundantes? "Temos que pensar sobre questões bioéticas e questões de segurança desde o primeiro dia, "diz Tibbitt.

Esses riscos também apresentam grandes oportunidades:a produção de concreto é responsável por cerca de 8% do CO global de hoje ₂ emissões. Faixas inteiras de praias arenosas estão sendo sacrificadas ao boom global da construção. Muitos aterros estão transbordando de entulho de edifícios demolidos. Infraestruturas orgânicas com ciclos de material fechados - como pontes feitas de fibra vegetal notavelmente robusta - oferecem uma alternativa sustentável. Se danificado, eles poderiam se reparar. No final de sua vida útil, eles poderiam simplesmente se decompor em componentes compostáveis ​​individuais.