Forskere baner vej for næste generations liv-inspirerede materialer

Et nyt materiale inspireret af levende systemer ændrer sin elektriske adfærd baseret på tidligere erfaringer. Udviklet af forskere på Aalto Universitet, har det effektivt opnået en basal form for adaptiv hukommelse. 

Adaptive materialer som denne kan spille en nøglerolle i udviklingen af næste generations medicinske og miljømæssige sensorer, samt i bløde robotter og aktive overflader.

Responsive Materialer i Levende Systemer

Responsive materialer kan findes i en bred vifte af anvendelser, såsom briller, der mørkner i sollys. Men eksisterende materialer reagerer altid på samme måde, og deres respons på en ændring er uafhængig af deres historie. Dette betyder, at de ikke tilpasser sig baseret på deres tidligere erfaringer. 

På den anden side tilpasser levende systemer deres adfærd baseret på tidligere betingelser. 

Bo Peng er en Academy Research Fellow på Aalto Universitet og en af de seniorforfattere af forskningen. 

“En af de næste store udfordringer i materialevidenskab er at udvikle rigtig intelligente materialer inspireret af levende organismer,” siger Peng. “Vi ville udvikle et materiale, der ville tilpasse sin adfærd baseret på sin historie.” 

Opnåelse af Adaptiv Hukommelse i Materialer

Holdet syntetiserede først mikrometer-størrelse magnetiske kugler, før de stimulerede dem med et magnetfelt. Kuglerne stablede sig op til at danne søjler, når magneten var tændt, og styrken af det magnetiske felt påvirkede formen på søjlerne. Disse former påvirker, hvor godt søjlerne leder elektricitet. 

‘Med dette system kobler vi magnetfelt-stimulansen og den elektriske respons. Interessant nok fandt vi ud af, at den elektriske ledningsevne afhænger af, om vi varierer det magnetiske felt hurtigt eller langsomt,” forklarer Peng. “Det betyder, at den elektriske respons afhænger af magnetfeltets historie. Den elektriske adfærd var også forskellig, hvis det magnetiske felt var øgende eller aftagende. Responsen viste bistabilitet, som er en basal form for hukommelse. Materialeopfører sig, som om det har en hukommelse af det magnetiske felt.”

Systemets hukommelse giver det mulighed for at opføre sig på en måde, der ligner rudimentær læring. Under læreprocessen i levende organismer er den grundlæggende enhed i dyr en ændring i responsen på forbindelser mellem neuroner. Dette kaldes synapser, og afhængigt af, hvor ofte de stimuleres, bliver synapserne i neuroner enten hårdere eller lettere at aktivere. Ændringen kaldes kortvarig synaptisk plasticitet, og den gør forbindelsen mellem et par neuroner stærkere eller svagere afhængigt af deres historie. 

Forskerholdet opnåede et lignende system med de magnetiske kugler, men mekanismen er forskellig. Når kuglerne udsættes for et hurtigt pulserende magnetfelt, kan materialet bedre lede elektricitet. Men hvis de udsættes for langsommere pulsering, leder de dårligt. 

Olli Ikkala er en Distinguished Professor på Aalto. 

“Vores materiale fungerer lidt som en synapse,” siger Ikkala. “Det, vi har demonstreret, baner vej for den næste generation af liv-inspirerede materialer, som vil bygge på biologiske processer for tilpasning, hukommelse og læring.”

“I fremtiden kunne der være endnu flere materialer, der er algoritmerisk inspireret af liv-lignende egenskaber, selvom de ikke involverer den fulde kompleksitet af biologiske systemer. Sådanne materialer vil være centrale for den næste generation af bløde robotter og for medicinsk og miljømæssig overvågning,” konkluderer Ikkala.