Materiales inteligentes

16 anales de mecánica y electricidad / enero-febrero 2004

IntroducciónEl desarrollo de los materiales inteligentes

ha hecho posible el ensanchamiento del con-cepto de diseño estructural hasta tal puntoque no solo se contempla la posibilidad dediseñar estructuras que monitoricen su inte-gridad estructural sino que incluso sean ca-paces de adaptarse al entorno e incluso to-mar medidas concretas para autorepararseen caso de deterioro. En cambio, en el con-texto tradicional, el diseño estructural secontemplaba desde el punto de vista de laselección de materiales y dimensiones capacesde soportar las cargas estructurales previstasdurante la vida del componente.

La comunidad científica considera que latecnología asociada las estructuras inteligentesse encuentra lo bastante madura como parabuscar la innovación a través del desarrollode nuevos materiales y nuevos diseños quepermitan la integración de detección múltiplede estímulos exteriores, diagnosis y actua-ción de la estructura produciendo una im-portante mejora de la integridad estructural.Se necesita un importante desarrollo de mé-todos de análisis que permitan modelar lamicroescala ya que es en estos niveles dondese producen los mecanismos básicos de de-tección y actuación. También se requierennuevos procesos de fabricación que permitan

Materiales inteligentes (II):Aplicaciones tecnológicas

Las nuevas tecnologías de fabricación han conseguido un abaratamiento de losmateriales inteligentes que permiten el desarrollo de nuevas aplicaciones y la susti-tución de materiales tradicionales. Este avance está siendo posible gracias al esfuerzocooperativo de distintos campos de conocimiento, tales como: física de estado sólido,química, ingeniería de materiales, medicina, mecánica, biología, etc. y a la creaciónde grupos de desarrollo multidisciplinares. En el artículo:“Materiales inteligentes (I):Introducción a los materiales del siglo XXI” se hizo una breve descripción de losprincipios físicos y tipos de materiales inteligentes. En este artículo se presentan algunasde las aplicaciones tecnológicas actuales de estos materiales.

Oscar López García

Doctor Ingeniero Industrial. Profesor

del Departamento de Fluidos y Calor

e Investigador en el Instituto de Inves-

tigación Tecnológica de la ETSI-ICAI.

Sus campos de conocimiento son la

mecánica del medio continuo, sistemas

de energía eólica, mecánica de la frac-

tura y fatiga, materiales inteligentes y

el método de los elementos finitos.

Alberto Carnicero López

Doctor Ingeniero Industrial del ICAI

prom. 1995. Profesor del Departa-

mento de Ingeniería Mecánica e Inves-

tigador en el Instituto de Investigación

Tecnológica de la ETSI-ICAI. Sus cam-

pos de conocimiento están relaciona-

dos con la aplicación de métodos nu-

méricos a la resolución de problemas

de dinámica de estructuras y mecáni-

ca de medios continuos, así como el

modelado de materiales inteligentes

para su empleo en actuadores o sen-

sores.

Rosa Ruiz Pablos

Licenciada en Ciencias Físicas por la

Universidad de Salamanca (Especiali-

dad Fundamental). Ha trabajado en

proyectos de investigación en las áreas

de energía atómica, física nuclear, física

del estado sólido e ingeniería de ma-

teriales. Actualmente investiga en el

Instituto de Investigación Tecnológica

de la ETSI-ICAI (Análisis y diseño en

Ingeniería).

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la obtención de componentes estructuralesespecialmente diseñados desde el nivel mi-croscópico hasta el macroscópico.Teniendoen cuenta estas necesidades es evidente quese debe realizar un esfuerzo multidisciplinal,que abarca campos tan diferentes como laquímica, ingeniería de materiales, metalografía,física de semiconductores, electrodeposición,micromecánica, electrónica, matemáticas, etc,y crear las sinergias necesarias para que através de una estructura cooperativa entregrupos dispares de investigación se produzcanlos avances necesarios. Dentro de este con-texto cabe destacar el esfuerzo y el interésque el campo de la nanotecnología ha des-pertado en la comunidad científica. Posible-mente desde escalas tan pequeñas como lasasociadas a la nanotecnología es desdedonde se puede plantear de forma realistadotar a las estructuras del nivel de inteligen-cia suficiente como para abordar la toma dedecisiones necesarias para autorepararse oincluso actuar con criterios complejos de in-teligencia ante estímulos exteriores. El lectorinteresado puede encontrar más informaciónen la referencia [5].

Los materiales inteligentes se pueden utilizarcomo sensores o como actuadores.• Los sensores son realizados con materia-les inteligentes que emplean como señal deentrada campos mecánicos, como deforma-ciones, esfuerzos o temperaturas y en baseal correspondiente fenómeno físico estoscampos son transformados en señales desalida que pueden ser fácilmente medibles, yque generalmente implican campos eléctricosque producen diferencia de potencial eléctricoo campos magnéticos que inducen corrienteeléctrica (ver Figura 1).• Los actuadores emplean como señales deentrada campos eléctricos, térmicos o mag-néticos que mediante las propiedades delmaterial activo son transformadas en una se-ñal de salida mecánica como un campo dedesplazamientos, deformaciones o esfuerzos,con la consiguiente generación de un fuerzaque puede ser empleada en realizar un cier-to trabajo (ver Figura 1)

Entre los diferentes materiales inteligenteslos más versátiles son los piezoeléctricos ymagnetoestrictivos porque pueden operarcomo sensores o como actuadores. Las alea-ciones de forma pueden emplearse comoactuadores, pero no como sensores. Los flui-dos reológicos se emplean principalmenteen aplicaciones muy específicas relacionadascon el amortiguamiento activo de vibraciones.

La fibra óptica se emplea exclusivamentecomo sensor y los MEMS son empleadosprincipalmente como sensores.

Las aplicaciones tecnológicas de las es-tructuras inteligentes se pueden encontrarprácticamente en casi todos los campos, comopor ejemplo industria aeroespacial, biomedicina,ingeniería civil, automoción, etc.A continuaciónse presentarán algunas de sus aplicacionestecnológicas.

Integridad estructuralLa detección de daño y monitorización de

la integridad estructural es uno de los camposen los que el uso de materiales inteligenteparece tener una mayor penetración. Existendiversas estrategias para detectar el daño enuna estructura empleando materiales inteli-gentes. Se pueden clasificar en dos grandesgrupos:• Diagnóstico mediante sensores pasivos. Sebasan en medidas de sensores pasivos quese encuentran distribuidos en la estructura ycorresponde al enfoque mas tradicional. In-dependientemente de la variable que es me-dida, la respuesta producida por la estructuradañada y sin dañar será diferente y es estacaracterística la que se emplea para este tipode diagnóstico. Por ejemplo, los modos devibración son muy sensibles a la presencia deuna fisura, conociendo los modos de vibración

Materiales inteligentes (II): Aplicaciones tecnológicas 17

Figura 1. Materiales inteligentes como sensores y actuadores

Energía Mecánica

Magnetoestricción

Magnetización

Piezoelectricidad

Voltaje

Memoria de forma

Temperatura

Energía Eléctrica

Act

uado

r Sensor


de la estructura sin dañar cuando se midenlos modos de la estructura dañada habráuna diferencia y esta diferencia debe relacio-narse con el daño estructural producido. Engeneral para la estimación de daño este tipode diagnosis proporciona información limitada.En este tipo de sistema se necesita desarrollarla relación entre la medida de los sensores yel daño estructural (ver Figura 2).• Diagnóstico mediante sensores activos. Laprincipal diferencia respecto del anterior tipose basa en que se incorporan elementos ac-tivos que juegan el papel de actuadores. Deesta forma, las medidas de los sensores soninducidas por elementos activos embebidosen la estructura. Normalmente se suelenusar elementos piezoeléctricos que se em-plean no solo como sensores sino tambiéncomo actuadores para enviar y recibir ondasde esfuerzos. La identificación del daño sepuede conseguir mediante el análisis de lasdiferencias entre las señales medidas antes ydespués de producirse el daño. Para ello esnecesario desarrollar un sistema de identifi-cación que sea capaz de determinar la locali-zación y extensión del daño a partir de lasseñales medidas. Se pueden monitorizar es-

tructuras enteras con un número limitadode sensores-actuadores. Empleando estossistemas se ha detectado delaminación enestructuras de materiales compuestos, iden-tificado impacto en estructuras caracterizandono solo la localización del impacto sino tam-bién reconstruyendo la fuerza del impacto(ver Figura 3).

Control de vibracionesEl control de vibraciones es otro campo

en el que el empleo de materiales inteligen-tes está progresando rápidamente. En indus-trias como la aeroespacial o la automociónel control de vibraciones es una de sus áreasmás importantes. Los materiales inteligentesse han empleado para suprimir vibracionesen sistemas ópticos espaciales, suspensionesde vehículos empleando amor tiguadoresviscosos basados en fluidos electroreológicos,control de vibraciones en edificios bajo cargassísmicas, etc.

Básicamente se pueden distinguir dos tiposde estrategias de control. En primer lugar seencuentra el control semiactivo que consisteen un mecanismo pasivo que puede cambiarsus propiedades, rigidez, amortiguamiento,etc, en tiempo real con un aporte energéti-co en general bajo. Aunque suelen compor-tarse de forma no lineal los sistemas se-miactivos son inherentemente pasivos y adiferencia de los sistemas activos no puedendesestabilizar el sistema. En segundo lugar, seencuentra el control activo es el que corres-ponde a una estructura en la que se empleanun conjunto de actuadores y sensores deforma que interactúan entre sí mediantetécnicas de realimentación para conseguir lasupresión y control de vibraciones. El con-trol activo se suele emplear junto con larealimentación para conseguir el amortigua-miento activo de las vibraciones de unaestructura de forma que se reducen los picosde resonancia de la función de transferenciaen lazo cerrado.

El objetivo del control activo puede ser elde mantener una de las variables de controlfija en un valor determinado, como la posi-ción de una antena, o imponer una varia-ción de una variable de control para conse-guir un determinado objetivo, por ejemplovariar el ángulo de paso de una pala de he-licóptero, ver [1]. Otras veces se desea man-tener la forma de una superficie, de estaforma se han realizado sistemas para man-tener rectas columnas de material com-puesto evitando problemas de pandeo es-


Figura 2. Sistema de diagnóstico mediante sensores pasivos

Figura 3. Sistema de diagnóstico mediante sensores activos

Estructura

Medida Real

Fuerza

Presión

Temperatura

Estimación

IdentificaciónComparación

Simulación Base de datos

Estructura

Medida Real

Generador de señal para el diagnóstico Estimación

Identificación

Comparación

Simulación

Base de datos


tructural asociados a imperfecciones en elmaterial compuesto. En la industria aeroes-pacial se han empleado aleaciones de me-moria de forma en mecanismos para des-plegar antenas, paneles solares o inclusosatélites.

Para disminuir los niveles de ruido se pue-den emplear materiales piezoeléctricos quedetectan los cambios de la presión del airedebido a las ondas de sonido, y que convier-ten ese estímulo en una señal eléctrica quese emplea para alimentar un actuador quetransmite ondas de presión en el aire encontrafase a la recibida, de forma que lasuperposición amortigua el ruido o inclusolo anula.

Mediante el empleo de señales eléctricasse pueden inducir vibraciones en materia-les piezoeléctricos para producir materia-les compuestos que presenten rigidez elás-ticas variable e incluso ajustable. Este tipode material se puede utilizar para el amor-tiguamiento de vibraciones de forma quelas propiedades del material son ajustadasde tal manera que absorban las vibracio-nes y eviten problemas de resonancias. To-yota ha desarrollado un sistema de sus-pensión que implanta este sistema derigidez controlada y que se ha incorpora-do a la gama Lexus.

En el campo de la ingeniería sísmica existenaplicaciones para disminuir las vibracionesproducidas durante un terremoto y garanti-zar la seguridad estructural del edificio. Sehan propuesto estrategias de control de lasvibraciones de edificios basadas en amorti-guadores magnetoreológicos realimentadosen aceleración para reducir la respuesta es-tructural debida a cargas sísmicas, ver porejemplo [2]. En la Figura 4 se muestra un es-quema de un amortiguador magnetoreológicoantisísmico.

La industr ia aeronáutica se encuentradesarrollando alas de rigidez variable queresponden a la carga del viento de formaactiva para conseguir distintos objetivos co-mo por ejemplo la disminución de cargas defatiga, optimización aerodinámica, etc. En laFigura 5 se muestra un flap de un ala conactuadores basados en SMA. La idea es re-emplazar los actuadores hidráulicos conven-cionales por sistemas basados en materialesinteligentes en concreto por aleaciones dememoria de forma. De esta forma se consi-gue una evidente disminución de peso y elsistema resultante es más sencillo, eficiente ycompacto.

MedicinaEl Nitinol puede emplearse para fabricar

alambres superelásticos que se pueden tejeren formas cilíndricas para varios usos. Unade las aplicaciones más habituales son losstents vasculares para reforzar los vasossanguíneos. El stent se introduce comprimidoen el vaso sanguíneo y se posiciona en lalocalización adecuada. A continuación se ca-lienta por encima de su temperatura detransformación, se expande recuperando laforma cilíndrica y proporciona el refuerzo alas paredes del vaso sanguíneo. En la Figura 6se presenta una imagen de un stent de SMA.

Materiales inteligentes (II): Aplicaciones tecnológicas 19

Figura 4.Amortiguador magnetoreológico antisísmico (según [4])

ExpansorAcumulador

Pistón3 etapas Fluido

Magnetoreológico

Campo magnético

Pistón

Figura 5. Flap con actuadores de SMA

Cables de SMA

Figura 6. Stent de SMA, deformado y extendido.Aplicacionesen el campo de la medicina de materiales inteligentes


Estas aleaciones superélasticas también seemplean en la fabricación de catéteres.

Cepheid una compañía de Lucas Nova-Sensor está fabricando instrumentos paraensayos biomédicos en los cuales los com-ponentes principales son chips fluidizadosmicromecanizados. Estos transductoresMEMS son empleados como sensores en lapunta de catéteres intercardiales para moni-torizar la presión sanguínea durante la cate-terización cardíaca.

El i-Stat de la Universidad de Princeton hadesarrollado un sistema de “bolsillo” para elanálisis químico de la sangre. Éste se basa en unchip como sensor químico, un paquete desoluciones de calibración, varios canales de flui-dos y cámaras moldeadas en plástico. El instru-mento contiene toda la electrónica necesariapara actuar como interfase con el chip MEMS,un display y teclado de control al igual que elactuador para operar en los componentes flui-dos. Este sistema permite disminuir el tiemporequerido por los análisis de laboratorio tradi-cionales. El instrumento realiza automáticamen-te las medidas de calibración, dirige la muestrade sangre sobre el microsensor, almacena lasmedidas de la muestra y muestra el resultado.

Uno de los aspectos más importantes delos tratamientos médicos es la posología delmismo. La efectividad de muchos medicamen-tos está directamente relacionada con la for-ma en la que son administradas. Algunas tera-pias requieren que la medicina seaadministrada al paciente de forma repetitivaen un largo período de tiempo o en específi-cas cantidades en un momento determinado.En muchos casos el paciente puede olvidar to-mar la medicina o incluso puede ser incapazde hacerlo. Por tanto, se están desarrollandosistemas que sean capaces de liberar una am-plia variedad de medicinas de forma controla-da, pulsatil o continua, y que pueda ser implan-tado en el cuerpo humano de forma segura.Los MEMS son los sistemas que se están em-pleando en este tipo de aplicaciones. Un siste-ma de liberación de medicina consiste en unsubstrato que contiene múltiples depósitos ca-paces de almacenar sustancias químicas tantosólidas, como líquidas o en forma de gel. Cadadepósito está tapado con una membrana con-ductiva y cableado con un circuito controladocon un microprocesador. Este procesador escapaz de controlar activa y eléctricamente eltiempo exacto de liberación y la cantidad demedicina dispersada mediante el control de ladisolución de la membrana (ver Figura 7).

Una de las dificultades más importantes a lasque se enfrentan este tipo de soluciones es ladel aislamiento del medio fluido de los chipsde silicio. Se han propuesto soluciones que im-plican cubrir las superficies en contacto con elfluido para hacerlas hidrofílicas o hidrófobas.

Otras aplicacionesExisten y se comercializan gafas cuyas

monturas están construidas con una aleaciónde memoria de forma. De esta manera si lamontura resulta deformada o doblada sepuede recuperar su forma inicial tan solo ca-lentándola. El material en el cual estas gafasestán fabricadas es una aleación de titaniodenominada Titanflex.

En base a la capacidad de convertir energíamecánica en energía eléctrica se están des-arrollando elementos que puedan generarenergía eléctrica a partir de la energía mecáni-ca. Estos sistemas no deben contemplarse co-mo medios eficaces de generar energía sinocomo sistemas para recuperar par te de laenergía mecánica que habitualmente se pierdea través de procesos disipativos. Una intere-sante aplicación de esta idea es la recupera-ción de la energía disipada durante un paseo.A partir de la energía liberada en el apoyo de-


Figura 8. Zapatillas deportivas energéticamente eficiente(según [6])

(B) Tratamiento de un dispositivo para liberación de medicina

(A) Detalle interior de las zapatillas

(B) Equipos electrónicos de baja potencia

(A) Sistema de posología de un tratamiento

Sustrato

GelCalentador

Medicina

Figura 7.Aplicación MEMS para regular la posología de un tratamiento médico


lantero del pie y mediante el uso de una lámi-na de PVDF así como transformando la ener-gía liberada en el apoyo del talón a través deun sistema de materiales piezoeléctricos (verFigura 8(A)), la energía mecánica disipada pue-de transformarse en eléctrica que a su vezpuede alimentar componentes electrónicos debaja potencia (ver Figura 8(B)). Para más infor-mación consultar las referencias [3] y [6].

Algunas cafeteras eléctricas de uso do-méstico emplean una válvula fabricada conNitinol que se activa a la temperatura deebullición del agua. Este mismo material seemplea para la fabricación de arandelas depretensado de pernos. El proceso de tensa-do es sencillo y preciso: se inserta la arande-la y se calienta a la temperatura de activa-ción, de forma que ésta se expande y tensael perno. Sistemas basados en cerámicas pie-zoeléctricas también se están empleando pa-ra la medida de pretensión de tornillos. Dehecho, el uso de estos materiales como célu-las de carga ya ha desbancado en algunoscampos a las tradicionales células basadas enpuentes de bandas extensométricas.

Actualmente los autores están participan-do en el proyecto europeo IELAS cuyo obje-tivo es diseñar y construir un sensor de in-

tensidad en líneas de alta tensión basado enel uso de materiales magnetoestrictivos ypiezoeléctricos. En este proyecto se encuen-tran empresas líderes en diferentes sectorescomo son Red Eléctrica de España, Ansaldo,Morgan Ceramics, Entreprise Ireland,Techso-nic y Siegert.

[1] S. Ashley. Helicopter rotor does the twist.Mechanical Engineering, pages 25 26, 1996.

[2] S.J. Dyke, B. F. Spencer, M. K. Sain, and J.D. Carlson.Modeling and control of magnetorheologicaldampers for seismic response reduction. SmartMaterials and Structures, 5:565 575, 1996.

[3] R. Fletcher. Force transduction materials for human-technology interfaces. IBM Systems Journal, 35(3 and4):630 638, 1996.

[4] Rheonetic. Magnetorheological manufacturer.HIPERVÍNCULO http://www.rheonetic.comhttp://www.rheonetic.com.

[5] A.V. Srinivasan and D. Michael McFarland. SmartStructures. Analysis and Design. CambridgeUniversity Press, 2001.

[6] T. Zimmerman. Personal area networks: Near fieldintra-body communication. Master s degree thesis.Massachussetts Institute of Technology, 1995. http://www.computer.org/micro/homepage/may_june/shenck/01.htm.

Referencias


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