Forscher entdecken neuen Prozess zum Nachahmen von Leben in nicht-lebenden Materialien

Ein Team von Forschern an der Technischen Universität Delft hat einen neuen Prozess entdeckt, der dazu beitragen könnte, Leben in nicht-lebenden Materialien wie Robotern nachzuahmen. Der neue Prozess verlässt sich auf Treibstoff, um nicht-lebende Materialien in ähnlicher Weise zu kontrollieren wie lebende Zellen.

Das Team sagt, dass der Reaktionszyklus auf eine breite Palette von Materialien angewendet werden kann. Seine Rate kann auch kontrolliert werden, was viele Möglichkeiten in diesem aufstrebenden Feld eröffnet. Die neue Entwicklung könnte auch eine große Rolle in der Zukunft der weichen Robotik spielen, bei der weiche Maschinen ihre Umgebung wahrnehmen und entsprechend reagieren.

Die Ergebnisse des Teams wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Nachahmen von chemischen Reaktionen in lebenden Zellen

Der Chemiker Rienk Eelkema und sein Team arbeiten daran, die chemischen Reaktionen in lebenden Zellen nachzuahmen, die den Treibstoff liefern, der benötigt wird, um die Zelle zu kontrollieren. Diese Reaktionen treiben nicht-lebende Materialien auf die gleiche Weise an, sind aber begrenzt.

“Bisher gibt es nur etwa fünf Arten von Reaktionen, die von Forschern weit verbreitet verwendet werden”, sagt Eelkema. “Diese Reaktionen haben zwei große Nachteile: ihre Rate ist schwer zu kontrollieren und sie funktionieren nur auf einem bestimmten Satz von Molekülen.”

Zusammen mit Benjamin Klemm, dem Hauptautor der Studie, entdeckte das Duo eine neue Art von Reaktion, deren Rate effektiv kontrolliert werden kann. Diese Reaktion funktioniert auf einer breiten Palette von Materialien.

“Das Wesentliche des Reaktionszyklus ist, dass er zwischen einer ungeladenen und einer geladenen Partikel umschalten kann, indem ein chemischer Treibstoff hinzugefügt wird”, fährt Eelkema fort. “Dies ermöglicht es uns, Materialien zu ändern und somit die Strukturen dieser Materialien zu modifizieren, da gleiche Ladungen sich abstoßen und unterschiedliche Ladungen sich anziehen. Die Art und Menge des Treibstoffs bestimmt die Reaktionsrate und somit, wie lange eine Ladung und somit eine bestimmte Struktur existiert.”

Eines der Dinge, die das Team getan hat, war, ihren Reaktionszyklus zu verwenden, um ein Hydrogel zu laden, was dazu führte, dass die Ladungen sich abstoßen und das Gel quoll.

Rolle beim Bau von weichen Robotern

Die Forscher sagen, dass der Zyklus chemischer Reaktionen eine Rolle beim Bau von weichen Robotern spielen könnte.

“Weiche Roboter existieren bereits, zum Beispiel Mikropartikel, die extern durch magnetische oder elektrische Felder gesteuert werden. Aber letztendlich würde man einen Roboter haben wollen, der sich selbst steuern kann: der sieht, wo er ist und was passiert, und reagiert dann entsprechend”, sagt Eelkema. “Man kann unseren Zyklus in eine Partikel im Voraus programmieren, dann allein lassen und er führt seine Funktion unabhängig aus, sobald er ein Signal erhält, dies zu tun.”

Eelkema wird nun daran arbeiten, Signalverarbeitung zum Prozess hinzuzufügen, was ihn mit der Umgebung verbinden wird.

“Zum Beispiel könnte eine Polymerpartikel einige Komponenten eines solchen Zyklus enthalten”, sagt er. “Wenn sie den letzten Teil der Reaktion trifft, ist der Zyklus abgeschlossen und dient als Signal, um zu zerfallen oder aufzuschwellen, zum Beispiel.”

Die Zellen in Menschen und anderen Organismen verlassen sich auf Energie, um zu funktionieren.

“Das ist auch der Grund, warum wir Menschen essen müssen”, erklärt Eelkema. “Diese Verbindung von Energie mit Funktion findet durch chemische Reaktionen statt und ist das, was lebende Wesen definiert. Es ermöglicht Zellen, zu kontrollieren, wann und wo Strukturen gebildet oder Prozesse stattfinden, lokal und für eine begrenzte Zeit.”

Andererseits kann nicht-lebendes Material ohne Energieversorgung funktionieren und existiert für immer. Es war nicht bis vor zehn Jahren, dass Prozesse existierten, die einen chemischen Treibstoff verwenden konnten, um Wechselwirkungen in nicht-lebenden Materialien zu treiben.

“Wir haben dies hier in Delft eingeführt, zusammen mit einigen anderen Orten, und seitdem hat sich das Feld explosionsartig entwickelt”, schloss Eelkema.