Forscher ebnen den Weg für Next-Gen-Lebens-inspirierte Materialien

Ein neues Material, inspiriert von lebenden Systemen, ändert sein elektrisches Verhalten basierend auf vorherigen Erfahrungen. Entwickelt von Forschern an der Aalto-Universität, hat es effektiv eine grundlegende Form von adaptiver Erinnerung erreicht. 

Adaptive Materialien wie diese könnten eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Next-Gen-Medizin- und Umweltsensoren sowie bei weichen Robotern und aktiven Oberflächen spielen.

Reaktive Materialien in lebenden Systemen

Reaktive Materialien können in einer Vielzahl von Anwendungen gefunden werden, wie z.B. Gläser, die sich bei Sonnenlicht verdunkeln. Bestehende Materialien reagieren jedoch immer auf die gleiche Weise, und ihre Reaktion auf eine Änderung ist unabhängig von ihrer Geschichte. Das bedeutet, dass sie sich nicht an ihre Vergangenheit anpassen.

Andererseits passen lebende Systeme ihr Verhalten an ihre vorherigen Bedingungen an.

Bo Peng ist ein Academy Research Fellow an der Aalto-Universität und einer der Senior-Autoren der Forschung. 

“Eine der nächsten großen Herausforderungen in der Materialwissenschaft ist die Entwicklung von wirklich intelligenten Materialien, die von lebenden Organismen inspiriert sind,” sagt Peng. “Wir wollten ein Material entwickeln, das sein Verhalten basierend auf seiner Geschichte anpassen würde.” 

Erreichung von adaptiver Erinnerung in Materialien

Das Team synthetisierte zunächst mikrometer-große magnetische Perlen und stimulierte sie mit einem magnetischen Feld. Die Perlen stapelten sich zu Säulen, wenn der Magnet eingeschaltet war, und die Stärke des magnetischen Feldes beeinflusste die Form der Säulen. Diese Formen beeinflussen, wie gut die Säulen Elektrizität leiten. 

‘Mit diesem System haben wir das magnetische Feld-Stimulus und die elektrische Reaktion gekoppelt. Interessanterweise fanden wir heraus, dass die elektrische Leitfähigkeit davon abhängt, ob wir das magnetische Feld schnell oder langsam variierten,” erklärt Peng. “Das bedeutet, dass die elektrische Reaktion von der Geschichte des magnetischen Feldes abhängt. Das elektrische Verhalten war auch unterschiedlich, wenn das magnetische Feld zunahm oder abnahm. Die Reaktion zeigte Bistabilität, was eine elementare Form von Erinnerung ist. Das Material verhält sich, als ob es eine Erinnerung an das magnetische Feld hätte.”

Das Gedächtnis des Systems ermöglicht es, sich auf eine Weise zu verhalten, die rudimentärer Lernen ähnelt. Während des Lernprozesses in lebenden Organismen ist das grundlegende Element in Tieren eine Änderung der Reaktion von Verbindungen zwischen Neuronen. Dies wird als Synapsen bezeichnet, und je nachdem, wie oft sie stimuliert werden, werden die Synapsen in Neuronen entweder härter oder leichter zu aktivieren. Die Änderung wird als kurzfristige synaptische Plastizität bezeichnet, und sie macht die Verbindung zwischen einem Paar Neuronen stärker oder schwächer, abhängig von ihrer Geschichte. 

Das Team der Forscher erreichte ein ähnliches System mit den magnetischen Perlen, aber der Mechanismus ist unterschiedlich. Wenn die Perlen einem schnell pulsierenden magnetischen Feld ausgesetzt werden, kann das Material besser Elektrizität leiten. Wenn sie jedoch einem langsamer pulsierenden Feld ausgesetzt werden, leiten sie schlecht. 

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

“Unser Material funktioniert ein bisschen wie eine Synapse,” sagt Ikkala. “Was wir demonstriert haben, ebnet den Weg für die nächste Generation von lebens-inspirierten Materialien, die auf biologischen Prozessen von Anpassung, Erinnerung und Lernen basieren.”

“In der Zukunft könnten es sogar noch mehr Materialien geben, die algorithmisch von lebensähnlichen Eigenschaften inspiriert sind, obwohl sie nicht die volle Komplexität biologischer Systeme beinhalten. Solche Materialien werden zentral für die nächste Generation von weichen Robotern und für medizinische und umweltbezogene Überwachung sein,” schließt Ikkala.