Forscher ebnen den Weg für vom Leben inspirierte Materialien der nächsten Generation

Ein neues Material, inspiriert von lebenden Systemen, ändert sein elektrisches Verhalten basierend auf früheren Erfahrungen. Es wurde von Forschern der Aalto-Universität entwickelt und hat effektiv eine Grundform des adaptiven Gedächtnisses geschaffen. 

Adaptive Materialien wie dieses könnten eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Medizin- und Umweltsensoren der nächsten Generation sowie bei Softrobotern und aktiven Oberflächen spielen.

Reaktionsfähige Materialien in lebenden Systemen

Reaktionsfähige Materialien finden sich in einer Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise bei Brillen, die bei Sonnenlicht dunkler werden. Bestehende Materialien reagieren jedoch immer gleich und ihre Reaktion auf eine Veränderung ist unabhängig von ihrer Geschichte. Das bedeutet, dass sie sich nicht auf der Grundlage ihrer bisherigen Erfahrungen anpassen. 

Andererseits passen lebende Systeme ihr Verhalten an frühere Bedingungen an. 

Bo Peng ist Academy Research Fellow an der Aalto-Universität und einer der leitenden Autoren des Forschungsprojekte. 

„Eine der nächsten großen Herausforderungen in der Materialwissenschaft besteht darin, wirklich intelligente Materialien zu entwickeln, die von lebenden Organismen inspiriert sind“, sagt Peng. „Wir wollten ein Material entwickeln, das sein Verhalten basierend auf seiner Geschichte anpasst.“ 

Adaptives Gedächtnis in Materialien erreichen

Das Team synthetisierte zunächst mikrometergroße Magnetkügelchen, bevor es sie mit einem Magnetfeld stimulierte. Die Perlen stapelten sich zu Säulen, wenn der Magnet eingeschaltet wurde, und die Stärke des Magnetfelds beeinflusste die Form der Säulen. Diese Formen beeinflussen, wie gut die Säulen den Strom leiten. 

„Mit diesem System haben wir den Magnetfeldreiz und die elektrische Reaktion gekoppelt.“ „Interessanterweise haben wir herausgefunden, dass die elektrische Leitfähigkeit davon abhängt, ob wir das Magnetfeld schnell oder langsam variieren“, erklärt Peng. „Das bedeutet, dass die elektrische Reaktion von der Geschichte des Magnetfelds abhängt. Das elektrische Verhalten war auch unterschiedlich, wenn das Magnetfeld zu- oder abnahm. Die Reaktion zeigte Bistabilität, eine elementare Form des Gedächtnisses. Das Material verhält sich so, als hätte es eine Erinnerung an das Magnetfeld.“

Das Gedächtnis des Systems ermöglicht ihm ein ähnliches Verhalten wie rudimentäres Lernen. Während des Lernprozesses in lebenden Organismen ist das Grundelement bei Tieren eine Veränderung der Reaktion von Verbindungen zwischen Neuronen. Dies wird als Synapsen bezeichnet. Je nachdem, wie häufig sie stimuliert werden, sind die Synapsen in Neuronen schwerer oder leichter zu aktivieren. Die Veränderung wird als kurzfristige synaptische Plastizität bezeichnet und macht die Verbindung zwischen einem Neuronenpaar je nach ihrer Geschichte stärker oder schwächer. 

Das Forscherteam erreichte mit den Magnetkügelchen ein ähnliches System, der Mechanismus ist jedoch anders. Wenn die Perlen einem schnell pulsierenden Magnetfeld ausgesetzt werden, kann das Material Elektrizität besser leiten. Werden sie jedoch einer langsameren Pulsierung ausgesetzt, leiten sie schlecht. 

Olli Ikkala ist ein angesehener Professor an der Aalto-Universität. 

„Unser Material funktioniert ein bisschen wie eine Synapse“, sagt Ikkala. „Was wir gezeigt haben, ebnet den Weg für die nächste Generation lebensinspirierter Materialien, die auf biologischen Prozessen der Anpassung, des Gedächtnisses und des Lernens basieren.“

„In Zukunft könnte es noch mehr Materialien geben, die algorithmisch von lebensähnlichen Eigenschaften inspiriert sind, auch wenn sie nicht die volle Komplexität biologischer Systeme aufweisen. Solche Materialien werden für die nächste Generation weicher Roboter sowie für die medizinische und Umweltüberwachung von zentraler Bedeutung sein“, so Ikkala abschließend.