I ricercatori aprono la strada ai materiali di prossima generazione ispirati alla vita

Un nuovo materiale ispirato ai sistemi viventi cambia il suo comportamento elettrico in base all’esperienza precedente. Sviluppato da ricercatori dell’Università di Aalto, ha effettivamente raggiunto una forma basilare di memoria adattiva.

I 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 responsivi in sistemi viventi

I materiali responsivi si possono trovare in una vasta gamma di applicazioni, come ad esempio gli occhiali da sole che si scuriscono alla luce del sole. Tuttavia, i materiali esistenti reagiscono sempre nello 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 precedenti.

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

Bo Peng è un Academy Research Fellow all’Università di Aalto e uno degli autori senior della ricerca.

“Una delle prossime grandi sfide nella scienza dei materiali è sviluppare materiali veramente intelligenti ispirati a organismi viventi”, afferma Peng. “Volevamo sviluppare un materiale che si adattasse al suo comportamento in base alla sua storia.”

Ottenere la memoria adattiva nei materiali

Il team ha sintetizzato per prima cosa perline magnetiche di dimensioni micrometriche prima di stimolarle con un campo magnetico. Le perline si sono impilate per formare pilastri ogni volta che il magnete era acceso, e la forza del campo magnetico ha impattato sulla forma dei pilastri. Queste forme influenzano come i pilastri conducono l’elettricità.

‘Con questo sistema, abbiamo accoppiato lo stimolo del campo magnetico e la risposta elettrica. È interessante notare che la conducibilità elettrica dipende da come varia il campo magnetico rapidamente o lentamente”, spiega Peng. “Ciò significa che la risposta elettrica dipende dalla storia del campo magnetico. Il comportamento elettrico era anche diverso se il campo magnetico era in aumento o in diminuzione. La risposta ha mostrato una bistabilità, che è una forma elementare di memoria. Il materiale si comporta come se avesse una memoria del campo magnetico.”

La memoria del sistema consente di comportarsi in modo simile a un apprendimento rudimentale. Durante il processo di apprendimento negli organismi viventi, l’elemento di base negli animali è un cambiamento nella risposta delle connessioni tra neuroni. Ciò è noto come sinapsi, e a seconda di quanto spesso vengono stimolate, le sinapsi nei neuroni diventano più facili o più difficili 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 raggiunto un sistema simile con le perline magnetiche, ma il meccanismo è diverso. Quando le perline sono esposte a un campo magnetico che pulsa rapidamente, il materiale può condurre meglio l’elettricità. Ma se sono esposte a un campo magnetico che pulsa più lentamente, conducono male.

Olli Ikkala è un Distinguished Professor all’Università di Aalto.

“Il nostro materiale funziona un po’ come una sinapsi”, afferma Ikkala. “Ciò che abbiamo dimostrato apre la strada per la prossima generazione di materiali ispirati alla vita, che si baseranno sui processi biologici di adattamento, memoria e apprendimento.”

“In futuro, potrebbero esserci ancora più materiali che sono ispirati algoritmicamente a proprietà simili alla vita, anche se non coinvolgeranno la piena complessità dei sistemi biologici. Tali materiali saranno centrali per la prossima generazione di robot morbidi e per il monitoraggio medico e ambientale”, conclude Ikkala.