Diaz Lantada, A.;Lafont Morgado, P.;Munoz-Guijosa, J.M.;Munoz Sanz, J.L.;Echavarri Otero, J.;Chacon Tanarro, E.;De la Guerra Ochoa, E.
Smart Structures and Systems
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제14권4호
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pp.517-539
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2014
The combined use of smart materials, complementing each others' characteristics and resulting in devices with optimised features, is providing new solutions in many industries. The use of ingenious combinations of smart materials has led to improvements in actuation speed and force, signal-to-noise ratio, sensor precision and unique capabilities such as self-sensing self-healing systems and energy autonomy. This may all give rise to a revival for numerous families of smart materials, for which application proposals had already reached a stationary situation. It may also provide the boost needed for the definitive industrial success of many others. This study focuses on reviewing the proposals, preliminary studies and success cases related to combining smart materials to obtain multifunctional, improved systems. It also examines the most outstanding applications and fields for the combined use of these smart materials. We will also discuss related study areas which warrant further research for the development of novel approaches for demanding applications.
In People usually think that smart materials and smart structures have not been developed until recent years. But those kinds of sensors have already been used for sensing damage in a variety of materials and structures. Two typical examples are piezoelectric materials (e.g., PZT) and electric strain gauges. Load cell is an example that utilizes the piezoelectric property to measure the change in physical quantities occurred by applied loads, while strain gauges are used to measure the deformation of compressive and tension members. The feasibility of using smart materials is realized for a monitoring technology when those sensors are used to monitor damages at inside or outsider of the structures. In this study, a fundamental study on the development of self diagnostic smart concrete using PZT, and unsaturated polyester electric resistance sensor.
In this study, structural health monitoring (SHM) methods of carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) were investigated using electrical resistance. The developed sensing technique monitored electrical resistance in accordance with the impact damage of a CFRP. The changes in electrical resistances with multiple electrode sets enabled SHM without extra sensors so that this technique can be called self-sensing. Moreover, this study proposed electrodes only at peripheral side of a structure to minimize the number of electrodes compared to those in an array which has square number of sensors as the sensing area increases. For the intensive investigation, electromechanical sensitivity in terms of electrode distance was analyzed and optimized under drop weight impact testing. Then, SHM methods with electrodes in an array and electrodes in peripheral edges were comparatively investigated. The developed methods successfully localized impact damages into 2D coordinates. Furthermore, damage severity can be shown with a damage map by calculating electrical resistance change ratio. Therefore, structural health self-sensing system using electrical resistance was successfully developed with the minimum number of electrodes.
This paper introduces an active sensing node using radio-frequency (RF) telemetry. This device has brought the traditional impedance-based structural health monitoring (SHM) technique to a new paradigm. The RF active sensing node consists of a miniaturized impedance measuring device (AD5933), a microcontroller (ATmega128L), and a radio frequency (RF) transmitter (XBee). A macro-fiber composite (MFC) patch interrogates a host structure by using a self-sensing technique of the miniaturized impedance measuring device. All the process including structural interrogation, data acquisition, signal processing, and damage diagnostic is being performed at the sensor location by the microcontroller. The RF transmitter is used to communicate the current status of the host structure. The feasibility of the proposed SHM strategy is verified through an experimental study inspecting loose bolts in a bolt-jointed aluminum structure.
Recently, piezoelectric materials have attracted considerable attention because of its self-sensing and actuating properties. To model smart structures, numerical modeling of structures with piezoelectric devices is essential. As many factors affect the performance of smart structures, optimization of these parameters is necessary. In this paper, the shape design sensitivity analysis of the 3D piezoelectric and structural elements is developed and shape optimization is performed. For the evaluation of the sensitivity, the finite element method is used. For the shape sensitivity, the domain velocity field is calculated. An acoustic cavity model is presented as a numerical example to study the feasibility of the formulation. The continuum sensitivity is compared with the results of the finite difference method by ANSYS. And the sequential linear programming (SLP) algorithm is used as the optimization algorithm.
Park, Jiwon;Shin, Joonchul;Hur, Sunghoon;Kang, Chong-Yun;Cho, Kyung-Hoon;Song, Hyun-Cheol
센서학회지
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제31권5호
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pp.301-306
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2022
With the recent widespread implementation of Internet of Things (IoT) technology driven by Industry 4.0, self-powered sensors for wearable and implantable systems are increasingly gaining attention. Piezoelectric nanogenerators (PENGs) and triboelectric nanogenerators (TENGs), which convert biomechanical energy into electrical energy, can be considered as efficient self-powered sensor platforms. These are energy harvesters that are used as low-power energy sources. However, they can also be used as sensors when an output signal is used to sense any mechanical stimuli. For sensors, collecting high-quality data is important. However, the accuracy of sensing for practical applications is equally important. This paper provides a brief review of the performance advanced by the materials and structures of the latest PENG/TENG-based wearable sensors and intelligent applications applied using artificial intelligence (AI)
Kolmakov, German V.;Yashin, Victor V.;Balazs, Anna C.
Smart Structures and Systems
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제7권3호
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pp.199-211
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2011
Using computational modeling, we design a pair of biomimetic microcapsules that exploit chemical mechanisms to communicate and alter their local environment. As a result, these synthetic objects can undergo autonomous, directed motion. In the simulations, signaling microcapsules release "agonist" particles, while target microcapsules release "antagonist" particles and the permeabilities of both capsule types depend on the local particle concentration in the surrounding solution. Additionally, the released nanoscopic particles can bind to the underlying substrate and thereby create adhesion gradients that propel the microcapsules to move. Hydrodynamic interactions and the feedback mechanism provided by the dissolved particles are both necessary to achieve the cooperative behavior exhibited by these microcapsules. Our model provides a platform for integrating both the spatial and temporal behavior of assemblies of "artificial cells", and allows us to design a rich variety of structures capable of exhibiting complex dynamics. Due to the cell-like attributes of polymeric microcapsules and polymersomes, material systems are available for realizing our predictions.
This is a review paper on mathematical modeling of actively controlled piezo smart structures. Paper has four sections to discuss the techniques to: (i) write the equations of motion (ii) implement sensor-actuator design (iii) model real life environmental effects and, (iv) control structural vibrations. In section (i), methods of writing equations of motion using equilibrium relations, Hamilton's principle, finite element technique and modal testing are discussed. In section (ii), self-sensing actuators, extension-bending actuators, shear actuators and modal sensors/actuators are discussed. In section (iii), modeling of thermal, hygro and other non-linear effects is discussed. Finally in section (iv), various vibration control techniques and useful software are mentioned. This review has two objectives: (i) practicing engineers can pick the most suitable philosophy for their end application and, (ii) researchers can come to know how the field has evolved, how it can be extended to real life structures and what the potential gaps in the literature are.
마찰전기 나노발전기(이하 TENG)의 새로운 발전 기술은 에너지 수집 및 자가 전력 공급 감지 응용 분야의 긍정적 전망으로 인해 점점 더 많은 관심을 받고 있다. 또한 최근 소프트로봇의 부상은 플렉시블과 소프트센서, 액추에이터 개발에 대한 폭넓은 관심을 불러 일으키고 있다. TENG는 액추에이터와 자가 전력 공급 센서를 구동하는 유망한 전원으로 간주되어 소프트웨어 로봇, 소프트 센서 및 액추에이터 개발을 위한 독창적인 방법을 제공한다. 이 리뷰에서는 TENG를 기반으로 다양한 형태와 기능을 가진 소프트웨어 로봇을 소개하려 한다. 그 중 자연계의 구조, 표면 형태, 재료 특성과 센싱/발전 메커니즘을 모방한 바이오닉 소프트 로봇의 설계는 TENG 성능 향상에 큰 도움이 되었다. 또한 다양한 바이오닉 소프트 로봇은 TENG의 간단한 구조, 자체 전력 공급 특성 및 조정 가능한 출력으로 인해 이전 구동 방식보다 향상되었다. 그리하여 이 리뷰에서는 TENG가 활성화한 소프트 로봇 응용의 특정 핵심 영역에서 다양한 연구를 종합적으로 검토하려 한다. 리뷰를 요약하자면 먼저 최근 개발된 다양한 TENG 기반 소프트웨어 로봇을 정리하고 다양한 장비 구조, 표면 형태 및 자연적으로 영감을 받은 재료를 비교 분석하여 그에 따른 TENG 성능 개선을 수행한다. 자연계에 사용되는 다양한 유비쿼터스 감지 원리와 발전 메커니즘 및 유사한 인공 TENG 설계가 확인되었고 촉각 디스플레이 및 웨어러블 기기, 인공 전자 피부 등의 기기에 TENG를 활성화하는 바이오닉 응용에 대해 논의한다. 마지막으로 TENG 기반 센서 및 구동 장비의 로봇 실제 적용에 대한 발전 기회, 도전 및 미래 전망을 분석한다.
본 연구에서는 제강 슬래그 (fine steel slag aggregates, FSSAs) 혼입량에 따른 스마트 보수재료 (smart repair materials, SRMs)의 전기역학적 거동을 조사하였다. SRMs는 보수 품질을 스스로 진단하고 보수 부위의 손상을 자체적으로 감지할 수 있다. FSSAs는 SRMs에 모래 중량 대비 0% (FSSA00), 25% (FSSA25), 그리고 50% (FSSA50) 치환되어 혼입되었다. SRMs의 전기저항률은 일반적으로 압축 응력이 증가함에 따라 감소하였다: 재령 7시간 기준 FSSA25의 전기저항률은 압축 응력이 0에서 22.57 MPa로 증가함에 따라 78.16에서 63.68 kΩ-cm으로 감소하였다. FSSAs의 모래 중량 대비 치환율이 0%에서 25%로 증가함에 따라 재령 7시간 기준 응력 민감도 (stress sensitivity coefficient, SSC)는 매트릭스 내 부분적인 전도성 경로 수의 증가로 인해 0.471에서 0.828 %/MPa로 증가하였다. 하지만, 치환율이 50%까지 증가함에 따라 부분적인 전도성 경로들의 일부가 연속적인 전도성 경로로 변화하여 SSC는 0.828에서 0.649 %/MPa로 감소하였다. SRMs는 보수 부위의 전기저항률만을 측정하는 것으로 보수 품질을 진단하고 보수 부위의 추가 손상을 스스로 감지할 수 있을 뿐만 아니라 구조물의 역학적 성능을 빠르게 회복시킬 수 있을 것으로 기대한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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