I ricercatori aprono la strada a materiali ispirati alla vita di nuova generazione

Un nuovo materiale ispirato ai sistemi viventi cambia il suo comportamento elettrico in base all'esperienza precedente. Sviluppato dai ricercatori della Aalto University, ha effettivamente raggiunto una forma base di memoria adattiva. 

Materiali adattivi come questo potrebbero svolgere un ruolo chiave nello sviluppo di sensori medici e ambientali di prossima generazione, nonché in robot morbidi e superfici attive.

Materiali reattivi nei sistemi viventi

I materiali reattivi possono essere trovati in un'ampia gamma di applicazioni, come gli occhiali che si scuriscono alla luce del sole. Tuttavia, i materiali esistenti reagiscono sempre allo stesso modo e la loro risposta a un cambiamento è indipendente dalla loro storia. Ciò significa che non si adattano in base alle loro esperienze passate. 

D'altra parte, i sistemi viventi adattano il loro comportamento in base a condizioni precedenti. 

Bo Peng è un Academy Research Fellow presso la Aalto University e uno degli autori senior del riparazioni. 

"Una delle prossime grandi sfide nella scienza dei materiali è sviluppare materiali veramente intelligenti ispirati agli organismi viventi", afferma Peng. "Volevamo sviluppare un materiale che regolasse il suo comportamento in base alla sua storia". 

Raggiungere la memoria adattiva nei materiali

Il team ha prima sintetizzato sfere magnetiche di dimensioni micrometriche prima di stimolarle con un campo magnetico. Le perline si impilavano per formare pilastri ogni volta che il magnete veniva acceso e la forza del campo magnetico influiva sulla forma dei pilastri. Queste forme influenzano il modo in cui i pilastri conducono l'elettricità. 

“Con questo sistema, abbiamo accoppiato lo stimolo del campo magnetico e la risposta elettrica. È interessante notare che abbiamo scoperto che la conduttività elettrica dipende dal fatto che abbiamo variato il campo magnetico rapidamente o lentamente», spiega Peng. “Ciò significa che la risposta elettrica dipende dalla storia del campo magnetico. Anche il comportamento elettrico era diverso se il campo magnetico aumentava o diminuiva. La risposta ha mostrato bistabilità, che è una forma elementare di memoria. Il materiale si comporta come se avesse una memoria del campo magnetico”.

La memoria del sistema gli consente di comportarsi in modo simile all'apprendimento rudimentale. Durante il processo di apprendimento negli organismi viventi, l'elemento fondamentale negli animali è un cambiamento nella risposta delle connessioni tra i neuroni. Questo è indicato come sinapsi e, a seconda della frequenza con cui vengono stimolate, le sinapsi nei neuroni diventano più difficili o più facili da attivare. Il cambiamento è chiamato plasticità sinaptica a breve termine e rende la connessione tra una coppia di neuroni più forte o più debole a seconda della loro storia. 

Il team di ricercatori ha realizzato un sistema simile con le sfere magnetiche, ma il meccanismo è diverso. Quando le sfere sono esposte a un campo magnetico che pulsa rapidamente, il materiale può condurre meglio l'elettricità. Ma se sono esposti a pulsazioni più lente, conducono male. 

Olli Ikkala è Distinguished Professor presso Aalto. 

"Il nostro materiale funziona un po' come una sinapsi", dice Ikkala. "Ciò che abbiamo dimostrato apre la strada alla prossima generazione di materiali ispirati alla vita, che attingeranno a processi biologici di adattamento, memoria e apprendimento".

"In futuro, potrebbero esserci ancora più materiali ispirati algoritmicamente a proprietà simili a quelle della vita, sebbene non coinvolgeranno l'intera complessità dei sistemi biologici. Tali materiali saranno fondamentali per la prossima generazione di robot morbidi e per il monitoraggio medico e ambientale", conclude Ikkala.