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. Ανάπτυξαν ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Aalto, και έχει επιτύχει αποτελεσματικά μια βασική μορφή προσαρμοστικής μνήμης.

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

Ανταποκρινόμενα Υλικά σε Ζωντανούς Οργανισμούς

Ανταποκρινόμενα υλικά μπορούν να βρεθούν σε eine ευρεία γκάμα εφαρμογών, όπως γυαλιά που σκουραίνουν στον ήλιο. Ωστόσο, τα υλικά αυτά πάντα αντιδρούν με τον ίδιο τρόπο, και η αντίδραση 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 ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Aalto και ένας από τους senior συγγραφείς της ερευνητικής εργασίας.

“Μια από τις επόμενες μεγάλες προκλήσεις στην επιστήμη 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 σε Υλικά

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

“Με αυτό το σύστημα, συνδύασαμε το μαγνητικό πεδίο ερεθίσματος και την ηλεκτρική απόκριση. 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 απόκριση εξαρτάται από την ιστορία του μαγνητικού πεδίου. Η ηλεκτρική συμπεριφορά ήταν επίσης διαφορετική αν το μαγνητικό πεδίο αυξανόταν ή ελαττωνόταν. Η απόκριση έδειξε διπλή σταθερότητα, που είναι μια στοιχειώδης μορφή μνήμης. Το υλικό συμπεριφέρεται σαν να έχει μια μνήμη του μαγνητικού πεδίου.”

Η μνήμη του συστήματος του επιτρέπει να συμπεριφερθεί με τρόπο παρόμοιο με τη βασική μάθηση. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μάθησης σε ζωντανούς οργανισμούς, το βασικό στοιχείο στα ζώα είναι μια αλλαγή στην απόκριση των συνδέσεων μεταξύ νευρώνων. Αυτό ονομάζεται συνάψεις, και ανάλογα με το πόσο συχνά διεγείρονται, οι συνάψεις στους νευρώνες γίνονται είτε πιο δύσκολο είτε πιο εύκολο να ενεργοποιηθούν. Η αλλαγή αυτή ονομάζεται βραχυπρόθεσμη συνάπτική πλαστικότητα, και κάνει τη σύνδεση μεταξύ ενός ζευγαριού νευρώνων ισχυρότερη ή ασθενέστερη 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 ένα γρήγορο παλμικό μαγνητικό πεδίο, το υλικό μπορεί να διευθύνει καλύτερα την ηλεκτρικότητα. Αλλά αν εκτίθενται σε αργό παλμικό, διευθύνουν κακώς.

Ο Olli Ikkala είναι Διακεκριμένος Καθηγητής στο Aalto.

“Το υλικό μας λειτουργεί λίγο σαν μια συνάψη,” λέει ο Ikkala. “Αυτό που έχουμε αποδείξει ανοίγει τον δρόμο για τις επόμενες γενιές υλικών που εμπνέονται από τη ζωή, τα οποία θα βασιστούν σε βιολογικές διαδικασίες προσαρμογής, μνήμης και μάθησης.”

“Στο μέλλον, θα μπορούσε να υπάρξουν ακόμη περισσότερα υλικά που θα εμπνέονται αλγοριθμικά από ιδιότητες που μοιάζουν με τη ζωή, αν και δεν θα εμπλέκονται με την πλήρη πολυπλοκότητα των βιολογικών συστημάτων. Τα υλικά αυτά θα είναι κεντρικά στη νέα γενιά μαλακών ρομπότ και για ιατρική και περιβαλλοντική παρακολούθηση,” συμπεραίνει ο Ikkala.