Forskere opdager ny proces til at efterligne liv i ikke-levende materialer

Et hold af forskere fra Delft University of Technology har opdaget en ny proces, der kan hjælpe med at efterligne liv i ikke-levende materialer, såsom robotter. Den nye proces afhænger af brændstof til at kontrollere ikke-levende materialer på en måde, der ligner det, levende celler gør.

Holdet siger, at reaktionscyklen kan anvendes på en bred vifte af materialer. Dens hastighed kan også kontrolleres, hvilket åbner op for mange muligheder på dette nye område. Den nye udvikling kan også spille en stor rol i fremtidens bløde robotter, hvor bløde maskiner kan fornemme deres omgivelser og reagere på en passende måde.

Holdets fund er offentliggjort i Nature Communications.

Efterligning af kemiske reaktioner i levende celler

Kemiker Rienk Eelkema og hans hold arbejder på at efterligne de kemiske reaktioner i levende celler, som giver det nødvendige brændstof til at kontrollere cellen. Disse reaktioner driver ikke-levende materialer på samme måde, men de er begrænsede.

“Indtil nu er der kun omkring fem typer reaktioner, der er almindeligt brugt af forskere,” siger Eelkema. “Disse reaktioner har to store ulemper: deres hastighed er svær at kontrollere, og de fungerer kun på en bestemt sæt af molekyler.”

Sammen med Benjamin Klemm, der er hovedforfatter på studiet, opdagede parret en ny type reaktion, hvis hastighed kan kontrolleres effektivt. Denne reaktion fungerer på en bred vifte af materialer.

“Essensen af reaktionscyklen er, at den kan skifte mellem en uladet og en ladet partikel ved at tilføje et kemisk brændstof til den,” fortsætter Eelkema. “Dette giver os mulighed for at ændre materialer og dermed modificere strukturerne af disse materialer, fordi ens ladede partikler frastøder hinanden og forskellige ladede partikler tiltrækker hinanden. Typen og mængden af brændstof bestemmer reaktionshastigheden og dermed, hvor længe en ladning og dermed en given struktur eksisterer.”

En af de ting, holdet gjorde, var at bruge deres reaktionscyklus til at lade en hydrogel, hvilket resulterede i, at ladningerne frastødte hinanden og gelen svulmede op.

Rolle i opbygning af bløde robotter

Forskerne siger, at cyklen af kemiske reaktioner kan spille en rolle i opbygning af bløde robotter.

“Bløde robotter findes allerede, for eksempel mikropartikler, der kontrolleres eksternt gennem magnetiske eller elektriske felter,” siger Eelkema. “Men til sidst ville man ønske, at en robot kunne kontrollere sig selv: se, hvor den er, og hvad der sker, og derefter reagere på en passende måde.” “Du kan programmere vores cyklus i en partikel på forhånd, derefter lade den være alene, og den udfører sin funktion uafhængigt, så snart den møder et signal til det.”

Eelkema vil nu se på at tilføje signalbehandling til processen, hvilket vil koble den til omgivelserne.

“For eksempel kunne en polymerpartikel indeholde nogle komponenter af en sådan cyklus,” siger han. “Når den møder den sidste del af reaktionen, er cyklen fuldført, hvilket fungerer som et signal til at opløse eller svulme op, for eksempel.”

Cellerne i mennesker og andre organismer afhænger af energi for at fungere.

“Det er også grunden til, at vi mennesker skal spise,” forklarer Eelkema. “Denne kobling af energi til funktion finder sted gennem kemiske reaktioner og er det, der definerer levende væsener. Det giver cellerne mulighed for at kontrollere, hvornår og hvor strukturer dannes eller processer finder sted, lokalt og for en begrænset tid.”

På den anden side kan ikke-levende materiale fungere uden energitilførsel og eksistere for evigt. Det var først for ti år siden, at processer fandtes, der kunne bruge et kemisk brændstof til at drive interaktioner i ikke-levende materialer.

“Vi introducerede det her i Delft, sammen med et par andre steder, og siden da er feltet eksploderet,” konkluderer Eelkema.