Tutkijat löysivät uuden prosessin elämän jäljittämiseksi elottomissa materiaaleissa

Delftin teknillisen yliopiston tutkijaryhmä on löytänyt uuden prosessin, joka voisi auttaa jäljittelemään elämää elottomissa materiaaleissa, kuten roboteissa. Uusi prosessi perustuu polttoaineeseen, joka ohjaa elottomia materiaaleja samalla tavalla kuin elävissä soluissa.

Tutkijaryhmä sanoo, että reaktiokierros voidaan soveltaa laajaan valikoimaan materiaaleja. Sen nopeutta voidaan myös säätää, mikä avaa monia mahdollisuuksia tässä kehittyvässä alalla. Uusi kehitys voi myös pelata suuren roolin tulevissa pehmeissä roboteissa, joissa pehmeät koneet tunnistavat ympäristönsä ja reagoivat siihen asianmukaisesti.

Tutkijaryhmän löydökset julkaistiin Nature Communications-julkaisussa.

Elävien solujen kemiallisten reaktioiden jäljittäminen

Kemisti Rienk Eelkema ja hänen tiiminsä työskentelevät elävien solujen kemiallisten reaktioiden jäljittämisellä, jotka tarjoavat tarvittavan polttoaineen solun ohjaamiseen. Nämä reaktiot ohjaavat elottomia materiaaleja samalla tavalla, mutta ne ovat rajoittuneita.

“Tähän asti on vain noin viisi reaktiotyyppiä, joita tutkijat laajasti käyttävät”, Eelkema sanoo. “Näillä reaktioilla on kaksi suurta heikkoutta: niiden nopeutta on vaikea säätää, ja ne toimivat vain tietyn joukon molekyyleillä.”

Yhdessä Benjamin Klemmin, tutkimuksen pääkirjoittajan, kanssa he löysivät uuden reaktiotyypin, jonka nopeutta voidaan tehokkaasti säätää. Tämä reaktio toimii laajalla valikoimalla materiaaleja.

“Reaktiokierroksen ydin on, että se voi vaihdella varattoman ja varatun hiukkasen välillä lisäämällä siihen kemiallista polttoainetta”, Eelkema jatkaa. “Tämä mahdollistaa materiaalien muuttamisen ja siten niiden rakenteiden muuttamisen, koska samanlaiset varaukset torjuvat toisiaan ja erilaiset varaukset houkuttelevat toisiaan. Reaktionopeuden määrää polttoaineen tyyppi ja määrä, ja siten kuinka kauan varaus ja siten tietty rakenne säilyy.”

Yksi asioiden, mitä tutkijaryhmä teki, oli käyttää reaktiokierrostaan lataamaan hydrogeeli, jolloin varaukset torjuivat toisiaan ja geeli turpoili.

Rooli pehmeiden robottien rakentamisessa

Tutkijat sanovat, että kemiallisten reaktioiden kierros voi pelata roolin pehmeiden robottien rakentamisessa.

“Pehmeitä roboteja on jo olemassa, esimerkiksi mikropartikkeleita, jotka ohjataan ulkoisesti magneettisilla tai sähkökentillä. Mutta lopulta haluaisit robotin pystyvän ohjaamaan itseään: näkemään, missä se on ja mitä tapahtuu, ja sitten reagoimaan siihen asianmukaisesti”, Eelkema sanoo. “Voit ohjelmoida kierrokseni etukäteen partikkeliin, jättää sen yksin, ja se suorittaa tehtävänsä itsenäisesti, kun se kohtaa signaalin tehdä niin.”

Eelkema aikoo nyt lisätä signaalinkäsittelyä prosessiin, joka linkittää sen ympäristöön.

“Esimerkiksi polymeripartikkeli voi sisältää joitain komponentteja tällaisesta kierroksesta”, hän sanoo. “Kun se kohtaa reaktion viimeisen osan, kierros on valmis, ja se toimii signaalina hajottaa tai turvota, esimerkiksi.”

Ihmisissä ja muissa eläimissä solut riippuvat energiasta toiminnastaan.

“Se on myös syy, miksi meidän on syötävä”, Eelkema selittää. “Energian ja toiminnan yhdistäminen tapahtuu kemiallisten reaktioiden kautta, ja se määrittää eläviä olentoja. Se mahdollistaa solujen ohjaamisen, kun ja missä rakenteita muodostetaan tai prosesseja tapahtuu, paikallisesti ja rajoitetun ajan.”

Toisaalta elottomat materiaalit voivat toimia ilman energiansyötöä ja säilyä ikuisesti. Ei ollut kuin kymmenen vuotta sitten, kun prosessit olivat olemassa, jotka voivat käyttää kemiallista polttoainetta ohjaamaan vuorovaikutuksia elottomissa materiaaleissa.

“Me esittelimme tämän Delftissä, yhdessä muutamien muiden paikkojen kanssa, ja siitä lähtien ala on räjähtänyt”, Eelkema päättelee.