Ερευνητές ανοίγουν τον δρόμο για τις επόμενες γενιές υλικών που εμπνέονται από τη ζωή

Ένα νέο υλικό που εμπνέεται από ζωντανούς οργανισμούς αλλάζει την ηλεκτρική του συμπεριφορά με βάση τις προηγούμενες εμπειρίες. Αναπτύχθηκε από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Aalto, έχει επιτύχει αποτελεσματικά μια βασική μορφή προσαρμοστικής μνήμης. 

Προσαρμοστικά υλικά όπως αυτό θα μπορούσαν να παίξουν βασικό ρόλο στην ανάπτυξη επόμενης γενιάς ιατρικών και περιβαλλοντικών αισθητήρων, καθώς και σε μαλακούς ρομπότ και ενεργές επιφάνειες.

Ανταποκρictικά Υλικά σε Ζωντανούς Οργανισμούς

Ανταποκρictικά υλικά μπορούν να βρεθούν σε eine ευρεία γκάμα εφαρμογών, όπως γυαλιά που σκουραίνουν στον ήλιο. Ωστόσο, τα υπάρχοντα υλικά αντιδρούν πάντα με τον ίδιο τρόπο, και η απάντησή τους σε μια αλλαγή είναι ανεξάρτητη από την ιστορία τους. Αυτό σημαίνει ότι δεν προσαρμόζονται με βάση τις προηγούμενες εμπειρίες τους. 

Από την άλλη πλευρά, οι ζωντανοί οργανισμοί προσαρμόζουν τη συμπεριφορά τους με βάση τις προηγούμενες συνθήκες. 

Ο Bo Peng είναι Academy Research Fellow στο Πανεπιστήμιο Aalto και ένας από τους senior συγγραφείς της ερευνήσεως. 

“Μια από τις επόμενες μεγάλες προκλήσεις στις επιστήμες των υλικών είναι να αναπτύξουμε πραγματικά έξυπνα υλικά που εμπνέονται από ζωντανούς οργανισμούς,” λέει ο Peng. “Θελήσαμε να αναπτύξουμε ένα υλικό που θα προσαρμόζει τη συμπεριφορά του με βάση την ιστορία του.” 

Επίγνωση Προσαρμοστικής Μνήμης στα Υλικά

Η ομάδα πρώτα συνθέτει μικρομετρικών μεγέθους μαγνητικές σφαίρες πριν τις διεγείρει με μαγνητικό πεδίο. Οι σφαίρες στοιβάζονται για να σχηματίσουν πυλώνες όποτε το μαγνητικό πεδίο ενεργοποιείται, και η ένταση του μαγνητικού πεδίου επηρεάζει το σχήμα των πυλώνων. Αυτά τα σχήματα επηρεάζουν το πώς καλά οι πυλώνες διηθούν την ηλεκτρικότητα. 

‘Με αυτό το σύστημα, συνδύασαμε το μαγνητικό πεδίο διέγερσης και την ηλεκτρική απάντηση. Ενδιαφέροντα, βρήκαμε ότι η ηλεκτρική αγωγιμότητα εξαρτάται από το αν μεταβάλλουμε το μαγνητικό πεδίο γρήγορα ή αργά,” εξηγεί ο Peng. “Αυτό σημαίνει ότι η ηλεκτρική απάντηση εξαρτάται από την ιστορία του μαγνητικού πεδίου. Η ηλεκτρική συμπεριφορά ήταν επίσης διαφορετική αν το μαγνητικό πεδίο αυξανόταν ή ελαττωνόταν. Η απάντηση έδειξε διπλή σταθερότητα, η οποία είναι μια στοιχειώδης μορφή μνήμης. Το υλικό συμπεριφέρεται σαν να έχει μια μνήμη του μαγνητικού πεδίου.”

Η μνήμη του συστήματος επιτρέπει να συμπεριφέρεται με έναν τρόπο παρόμοιο με την πρωταρχική μάθηση. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μάθησης σε ζωντανούς οργανισμούς, το βασικό στοιχείο στα ζώα είναι μια αλλαγή στην απάντηση των συνδέσεων μεταξύ των νευρώνων. Αυτό ονομάζεται συνάψεις, και ανάλογα με το πόσο συχνά διεγείρονται, οι συνάψεις στα νεύρα γίνονται είτε πιο difícιλες είτε πιο εύκολες να ενεργοποιηθούν. Η αλλαγή ονομάζεται βραχυπρόθεσμη συνάπτική πλαστικότητα, και κάνει τη σύνδεση μεταξύ ενός ζευγαριού νευρώνων πιο ισχυρή ή πιο αδύναμη ανάλογα με την ιστορία τους. 

Η ομάδα των ερευνητών πέτυχε ένα παρόμοιο σύστημα με τις μαγνητικές σφαίρες, αλλά ο μηχανισμός είναι διαφορετικός. Όταν οι σφαίρες εκτίθενται σε γρήγορα παλμούς μαγνητικού πεδίου, το υλικό μπορεί να διηθεί καλύτερα την ηλεκτρικότητα. Αλλά αν εκτίθενται σε αργούς παλμούς, διηθούν κακώς. 

Ο Olli Ikkala είναι Distinguished Professor στο Aalto. 

“Το υλικό μας λειτουργεί λίγο σαν μια συνάψη,” λέει ο Ikkala. “Αυτό που έχουμε αποδείξει ανοίγει τον δρόμο για την επόμενη γενιά υλικών που εμπνέονται από τη ζωή, τα οποία θα βασίζονται στις βιολογικές διαδικασίες προσαρμογής, μνήμης και μάθησης.”

“Στον μέλλοντα, θα μπορούσε να υπάρξουν ακόμη περισσότερα υλικά που θα εμπνέονται αλγοριθμικά από ιδιότητες που μοιάζουν με τη ζωή, αν και δεν θα εμπλέκονται στην πλήρη复잡ότητα των βιολογικών συστημάτων. Τα υλικά αυτά θα είναι κεντρικά στην επόμενη γενιά μαλακών ρομπότ και για ιατρική και περιβαλλοντική παρακολούθηση,” συμπληρώνει ο Ikkala.