Tutkijat luovat tietä seuraavalle sukupolvelle elämän innoittamille materiaaleille

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

Tällaiset sopeutuvat materiaalit voisivat olla avainasemassa seuraavien sukupolvien lääketieteellisten ja ympäristön anturien, pehmeiden robottien ja aktiivisten pintojen kehittämisessä.

Vasteelliset materiaalit elävissä järjestelmissä

Vasteellisia materiaaleja voidaan löytää laajasta sovellusvalikoimasta, 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 järjestelmät 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 sopeuttaa käyttäytymistään sen historian perusteella.”

Sopeutuvan muistin saavuttaminen 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 sähkönjohtavuus 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 väheni. Reaktio näytti bistabiliteetin, joka on perustavanlaatuinen muisti. Materiaali käyttäytyy kuin se muistaisi magneettikentän.”

Järjestelmän muisti mahdollistaa sen käyttäytymisen tavalla, joka muistuttaa perustavaa oppimista. Elävissä organismeissa oppimisen aikana perusyksikkö on muutos hermosolmujen välisen yhteyden reaktiossa. Tätä kutsutaan synapsiksi, ja riippuen siitä, kuinka usein ne stimuloidaan, hermosolmujen synapsit muuttuvat joko helpommaksi tai vaikeammaksi aktivoituviksi. Tätä muutosta kutsutaan lyhytaikaiseksi synaptiseksi plasticiteetiksi, ja se tekee hermosolmujen välisen yhteyden vahvemmaksi tai heikommaksi niiden 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 arvostettu professori.

“Materiaalimme toimii jonkin verran synapsin kaltaisesti”, Ikkala sanoo. “Mitä olemme osoittaneet, luo tietä seuraavalle sukupolvelle elämän innoittamille materiaaleille, jotka perustuvat sopeutumiseen, muistiin ja oppimiseen.”

“Tulevaisuudessa voi olla vielä enemmän materiaaleja, jotka ovat algoritmisesti inspiroitu elämänkaltaisista ominaisuuksista, vaikka ne eivät sisällä biologisen järjestelmän täydellistä monimutkaisuutta. Tällaiset materiaalit tulevat olemaan keskeisiä seuraavassa sukupolvessa pehmeissä roboteissa ja lääketieteellisessä ja ympäristön seurannassa”, Ikkala toteaa.