Изследователите проправят път за материали от следващо поколение, вдъхновени от живота

Нов материал, вдъхновен от живите системи, променя своето електрическо поведение въз основа на предишен опит. Разработен от изследователи от университета Аалто, той ефективно постига основна форма на адаптивна памет. 

Адаптивни материали като този могат да играят ключова роля в разработването на медицински и екологични сензори от следващо поколение, както и в меки роботи и активни повърхности.

Отзивчиви материали в живи системи

Отзивчивите материали могат да бъдат намерени в широк спектър от приложения, като например очила, които потъмняват на слънчева светлина. Съществуващите материали обаче винаги реагират по един и същи начин и реакцията им на промяна не зависи от тяхната история. Това означава, че те не се адаптират въз основа на миналия си опит. 

От друга страна, живите системи адаптират поведението си въз основа на предишни условия. 

Бо Пенг е научен сътрудник на Академията в университета Аалто и един от старшите автори на изследване. 

„Едно от следващите големи предизвикателства в материалознанието е да се разработят наистина интелигентни материали, вдъхновени от живи организми“, казва Пенг. „Искахме да разработим материал, който да коригира поведението си въз основа на неговата история.“ 

Постигане на адаптивна памет в материалите

Екипът първо синтезира магнитни мъниста с микрометър, преди да ги стимулира с магнитно поле. Мънистата се подреждаха, за да образуват стълбове, когато магнитът беше включен, а силата на магнитното поле повлия на формата на стълбовете. Тези форми влияят върху това колко добре стълбовете провеждат електричество. 

„С тази система свързахме стимула на магнитното поле и електрическия отговор. Интересното е, че открихме, че електрическата проводимост зависи от това дали променяме магнитното поле бързо или бавно,” обяснява Пенг. „Това означава, че електрическият отговор зависи от историята на магнитното поле. Електрическото поведение също е различно, ако магнитното поле се увеличава или намалява. Отговорът показа бистабилност, която е елементарна форма на паметта. Материалът се държи така, сякаш има памет за магнитното поле.

Паметта на системата й позволява да се държи по начин, подобен на рудиментарното обучение. По време на процеса на обучение в живите организми, основният елемент при животните е промяна в реакцията на връзките между невроните. Това се нарича синапси и в зависимост от това колко често се стимулират, синапсите в невроните стават или по-трудни, или по-лесни за активиране. Промяната се нарича краткосрочна синаптична пластичност и прави връзката между двойка неврони по-силна или по-слаба в зависимост от тяхната история. 

Екипът от изследователи постигна подобна система с магнитните перли, но механизмът е различен. Когато зърната са изложени на бързо пулсиращо магнитно поле, материалът може да провежда по-добре електричество. Но ако са изложени на по-бавно пулсиране, те провеждат лошо. 

Оли Икала е изтъкнат професор в Аалто. 

„Нашият материал функционира малко като синапс“, казва Икала. „Това, което демонстрирахме, проправя пътя за следващото поколение материали, вдъхновени от живота, които ще се основават на биологични процеси на адаптация, памет и учене.“

„В бъдеще може да има още повече материали, които са алгоритмично вдъхновени от подобни на живота свойства, въпреки че те няма да включват пълната сложност на биологичните системи. Такива материали ще бъдат централни за следващото поколение меки роботи и за медицински и екологичен мониторинг“, заключава Икала.