Výzkumníci dláždí cestu pro materiály nové generace inspirované životem

Nový materiál inspirovaný živými systémy mění své elektrické chování na základě předchozích zkušeností. Vyvinutý výzkumníky z Aalto University, účinně dosáhl základní formy adaptivní paměti. 

Adaptivní materiály, jako je tento, by mohly hrát klíčovou roli ve vývoji lékařských a environmentálních senzorů nové generace, stejně jako v měkkých robotech a aktivních površích.

Responzivní materiály v živých systémech

Responzivní materiály lze nalézt v celé řadě aplikací, jako jsou skla, která na slunci ztmavnou. Stávající materiály však vždy reagují stejně a jejich reakce na změnu je nezávislá na jejich historii. To znamená, že se nepřizpůsobují na základě svých minulých zkušeností. 

Na druhé straně živé systémy přizpůsobují své chování na základě předchozích podmínek. 

Bo Peng je vědeckým pracovníkem akademie na Aalto University a jedním z hlavních autorů knihy výzkum. 

„Jednou z dalších velkých výzev v materiálové vědě je vývoj skutečně chytrých materiálů inspirovaných živými organismy,“ říká Peng. "Chtěli jsme vyvinout materiál, který by upravil své chování na základě jeho historie." 

Dosažení adaptivní paměti v materiálech

Tým nejprve syntetizoval magnetické kuličky o velikosti mikrometru, než je stimuloval magnetickým polem. Kuličky se naskládaly do sloupů, kdykoli byl magnet zapnut, a síla magnetického pole ovlivnila tvar sloupků. Tyto tvary ovlivňují, jak dobře sloupy vedou elektřinu. 

"S tímto systémem jsme spojili podnět magnetického pole a elektrickou odezvu." Zajímavé je, že jsme zjistili, že elektrická vodivost závisí na tom, zda jsme magnetické pole měnili rychle nebo pomalu,“ vysvětluje Peng. "To znamená, že elektrická odezva závisí na historii magnetického pole." Elektrické chování bylo také odlišné, pokud se magnetické pole zvětšovalo nebo zmenšovalo. Odpověď ukázala bistabilitu, což je základní forma paměti. Materiál se chová, jako by měl paměť magnetického pole.

Paměť systému mu umožňuje chovat se způsobem podobným základnímu učení. Během procesu učení v živých organismech je základním prvkem u zvířat změna reakce spojení mezi neurony. To se nazývá synapse a v závislosti na tom, jak často jsou stimulovány, se synapse v neuronech aktivují buď obtížněji, nebo snadněji. Změna se nazývá krátkodobá synaptická plasticita a způsobuje, že spojení mezi dvojicí neuronů je silnější nebo slabší v závislosti na jejich historii. 

Tým výzkumníků dosáhl podobného systému s magnetickými kuličkami, ale mechanismus je odlišný. Když jsou kuličky vystaveny rychle pulzujícímu magnetickému poli, materiál může lépe vést elektřinu. Pokud jsou však vystaveny pomalejšímu pulzování, vedou špatně. 

Olli Ikkala je významným profesorem na Aalto. 

„Náš materiál funguje trochu jako synapse,“ říká Ikkala. "To, co jsme předvedli, připravuje cestu pro další generaci materiálů inspirovaných životem, které budou čerpat z biologických procesů adaptace, paměti a učení."

„V budoucnu by mohlo existovat ještě více materiálů, které jsou algoritmicky inspirovány vlastnostmi podobnými životu, i když nebudou zahrnovat úplnou složitost biologických systémů. Takové materiály budou ústřední pro příští generaci měkkých robotů a pro lékařské monitorování a monitorování životního prostředí,“ uzavírá Ikkala.