Tutkijat luovat tien seuraavalle sukupolvelle elämän inspiroimista materiaaleista

Uusi materiaali, joka on inspiroitu elävistä systeemeistä, muuttaa sähköistä käyttäytymistään edellisen kokemuksensa perusteella. Aalto-yliopiston tutkijoiden kehittämä materiaali on saavuttanut perustavanlaatuisen muistin.

Adaptiiviset materiaalit, kuten tämä, voivat olla avainasemassa seuraavien sukupolvien lääketieteellisten ja ympäristönvalvontajärjestelmien kehittämisessä, sekä pehmeiden robottien ja aktiivisten pintojen kehittämisessä.

Reagoivat materiaalit elävissä systeemeissä

Reagoivat materiaalit voidaan löytää laajasta sovellusalueesta, kuten aurinkolasit, jotka tummenevat auringonvalossa. Kuitenkin olemassa olevat materiaalit reagoivat aina samalla tavalla, ja niiden reaktio muutokseen on riippumaton niiden historiasta. Tämä tarkoittaa, että ne eivät sopeudu menneisyytensä perusteella.

Toisaalta elävät systeemit sopeuttavat käyttäytymistään edellisten olosuhteiden perusteella.

Bo Peng on Aalto-yliopiston akatemiaturansaaja ja yksi tutkimuksen seniorikirjoittajista.

“Yksi seuraavista suurista haasteista materiaalitieteessä on kehittää todella älykkäitä materiaaleja, jotka ovat inspiroitu elävistä organismeista”, Peng sanoo. “Halusimme kehittää materiaalin, joka sopeuttaisi käyttäytymistään sen historian perusteella.”

Saavuttamalla adaptiivinen muisti materiaaleissa

Tutkijaryhmä syntetisoi ensin mikrometrin kokoisia magneettisia palloja ja stimuloi niitä magneettikentällä. Pallot muodostivat pilarin, kun magneetti käynnistettiin, ja magneettikentän voimakkuus vaikutti pilarin muotoon. Nämä muodot vaikuttavat siihen, miten hyvin pilarit johtavat sähköä.

“Tässä järjestelmässä yhdistimme magneettikentän stimulaation ja sähköisen reaktion. Mielenkiintoista kyllä, havaitsemme, että sähköinen johtavuus riippuu siitä, muutamme magneettikenttää nopeasti vai hitaasti”, Peng selittää. “Tämä tarkoittaa, että sähköinen reaktio riippuu magneettikentän historiasta. Sähköinen käyttäytyminen oli myös erilainen, jos magneettikenttä kasvoi tai laski. Reaktio näytti bistabiliteettia, joka on perustavanlaatuinen muisti. Materiaali käyttäytyy kuin se muistaisi magneettikentän.”

Järjestelmän muisti mahdollistaa sen käyttäytymisen tavalla, joka muistuttaa perustavaa oppimista. Elävissä organismeissa oppimisprosessin perusyksikkö on muutos hermosolmujen välisen yhteyden reaktiossa. Tätä kutsutaan synapsiksi, ja sen mukaan, miten usein ne stimuloidaan, hermosolmujen synapsit tulevat joko helpommin tai vaikeammin aktivoitaviksi. Tämä muutos kutsutaan lyhytaikaiseksi synaptiseksi plastisuudeksi, ja se tekee hermosolmujen välisen yhteyden vahvemman tai heikommaksi sen historian perusteella.

Tutkijaryhmä saavutti samanlaisen järjestelmän magneettisilla palloilla, mutta mekanismi on erilainen. Kun pallot altistetaan nopeasti pulsailevalle magneettikentälle, materiaali johtaa sähköä paremmin. Mutta jos ne altistetaan hitaammin pulsailevalle magneettikentälle, ne johtavat sähköä huonommin.

Olli Ikkala on Aalto-yliopiston erityisprofessori.

“Materiaalimme toimii jonkinlaisena synapsina”, Ikkala sanoo. “Mitä olemme osoittaneet, avaa tien seuraavalle sukupolvelle elämän inspiroimista materiaaleista, jotka perustuvat biologisiin sopeutumis-, muisti- ja oppimisprosesseihin.”

“Tulevaisuudessa voi olla vielä enemmän materiaaleja, jotka ovat algoritmisesti inspiroitu elämänkaltaisista ominaisuuksista, vaikka ne eivät sisällä biologisten systeemien täydellistä monimutkaisuutta. Nämä materiaalit tulevat olemaan keskeisiä seuraavassa sukupolvessa pehmeissä robooteissa ja lääketieteellisessä ja ympäristönvalvonnassa”, Ikkala toteaa.