Les chercheurs ouvrent la voie aux matériaux de nouvelle génération inspirés par la vie

Un nouveau matériau inspiré par les systèmes vivants change son comportement électrique en fonction de ses expériences précédentes. Développé par des chercheurs de l’Université Aalto, il a effectivement atteint une forme basique de mémoire adaptative. 

Des matériaux adaptatifs comme celui-ci 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 une large gamme d’applications, telles que des lunettes de soleil qui s’assombrissent à la lumière du soleil. Cependant, les matériaux existants réagissent toujours de la même manière, 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. 

En revanche, les systèmes vivants adaptent leur comportement en fonction des conditions précédentes. 

Bo Peng est un chercheur de l’Académie à l’Université Aalto et l’un des auteurs principaux de la recherche. 

“L’un des prochains grands défis de la science des matériaux est de développer de véritables matériaux intelligents inspirés par les organismes vivants,” déclare Peng. “Nous voulions développer un matériau qui ajusterait son comportement en fonction de son histoire.” 

Atteindre une mémoire adaptative dans les matériaux

L’équipe a tout d’abord synthétisé des particules magnétiques de taille micrométrique avant de les stimuler avec un champ magnétique. Les particules se sont empilées pour former des piliers chaque fois que le magnétisme était activé, et la force du champ magnétique a eu 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. Intéressant, nous avons constaté que la conductivité électrique dépend de savoir si nous avons varié le champ magnétique rapidement ou lentement,” explique Peng. “Cela signifie que la réponse électrique dépend de l’histoire 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 de 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. Cela est appelé synapses, et en fonction de la fréquence à laquelle elles sont stimulées, les synapses dans les neurones deviennent plus faciles ou plus difficiles 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 particules magnétiques, mais le mécanisme est différent. Lorsque les particules sont exposées à un champ magnétique à impulsions rapides, le matériau peut mieux conduire l’électricité. Mais si elles sont exposées à des impulsions plus lentes, elles conduisent mal. 

Olli Ikkala est un professeur distingué à Aalto. 

“Notre matériau fonctionne un peu comme une synapse,” déclare 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 qui sont inspirés algorithmiquement par des propriétés similaires à la vie, bien qu’ils n’impliquent pas la complexité totale des systèmes biologiques. De tels matériaux seront centraux pour la prochaine génération de robots mous et pour la surveillance médicale et environnementale,” conclut Ikkala.