Des chercheurs ouvrent la voie à des matériaux de nouvelle génération inspirés par la vie

Un nouveau matériau inspiré des systèmes vivants modifie son comportement électrique en fonction de l'expérience précédente. Développé par des chercheurs de l'Université Aalto, il a effectivement atteint une forme de base de mémoire adaptative. 

De tels matériaux adaptatifs pourraient jouer un rôle clé dans le développement de capteurs médicaux et environnementaux de nouvelle génération, ainsi que dans les robots mous et les surfaces actives.

Matériaux réactifs dans les systèmes vivants

Les matériaux réactifs peuvent être trouvés dans un large éventail d'applications, telles que les verres qui s'assombrissent au soleil. Cependant, les matériaux existants réagissent toujours de la même façon, et leur réponse à un changement est indépendante de leur histoire. Cela signifie qu'ils ne s'adaptent pas en fonction de leurs expériences passées. 

D'autre part, les systèmes vivants adaptent leur comportement en fonction des conditions antérieures. 

Bo Peng est chercheur à l'Académie d'Aalto et l'un des principaux auteurs du Une étude. 

"L'un des prochains grands défis de la science des matériaux est de développer des matériaux véritablement intelligents inspirés d'organismes vivants", déclare Peng. "Nous voulions développer un matériau qui ajusterait son comportement en fonction de son histoire." 

Atteindre la mémoire adaptative dans les matériaux

L'équipe a d'abord synthétisé des billes magnétiques de taille micrométrique avant de les stimuler avec un champ magnétique. Les billes s'empilaient pour former des piliers chaque fois que l'aimant était allumé, et la force du champ magnétique avait un impact sur la forme des piliers. Ces formes affectent la façon dont les piliers conduisent l'électricité. 

«Avec ce système, nous avons couplé le stimulus du champ magnétique et la réponse électrique. Fait intéressant, nous avons découvert que la conductivité électrique dépend de la variation rapide ou lente du champ magnétique », explique Peng. « Cela signifie que la réponse électrique dépend de l'historique du champ magnétique. Le comportement électrique était également différent si le champ magnétique augmentait ou diminuait. La réponse a montré une bistabilité, qui est une forme élémentaire de mémoire. Le matériau se comporte comme s'il avait une mémoire du champ magnétique.

La mémoire du système lui permet de se comporter d'une manière similaire à un apprentissage rudimentaire. Au cours du processus d'apprentissage chez les organismes vivants, l'élément de base chez les animaux est un changement dans la réponse des connexions entre les neurones. C'est ce qu'on appelle les synapses, et selon la fréquence à laquelle elles sont stimulées, les synapses des neurones deviennent plus difficiles ou plus faciles à activer. Le changement est appelé plasticité synaptique à court terme, et il rend la connexion entre une paire de neurones plus forte ou plus faible en fonction de leur histoire. 

L'équipe de chercheurs a réalisé un système similaire avec les billes magnétiques, mais le mécanisme est différent. Lorsque les perles sont exposées à un champ magnétique à impulsions rapides, le matériau peut mieux conduire l'électricité. Mais s'ils sont exposés à des pulsations plus lentes, ils conduisent mal. 

Olli Ikkala est professeur émérite à Aalto. 

"Notre matériau fonctionne un peu comme une synapse", explique Ikkala. "Ce que nous avons démontré ouvre la voie à la prochaine génération de matériaux inspirés par la vie, qui s'appuieront sur les processus biologiques d'adaptation, de mémoire et d'apprentissage."

« À l'avenir, il pourrait y avoir encore plus de matériaux inspirés algorithmiquement de propriétés proches de la vie, même s'ils n'exploiteront pas toute la complexité des systèmes biologiques. Ces matériaux seront essentiels à la prochaine génération de robots souples et à la surveillance médicale et environnementale », conclut Ikkala.