非生物材料における生命の模倣のための新しいプロセスの発見

デルフト工科大学の研究チームは、ロボットなどの非生物材料における生命の模倣を可能にする新しいプロセスを発見しました。この新しいプロセスは、燃料を使用して非生物材料を制御することができます。

研究チームは、この反応サイクルが幅広い材料に適用できることを示しています。また、その速度も制御可能であり、将来のソフトロボティクスにおける大きな機会を提供します。

研究チームの成果は、Nature Communicationsに掲載されています。

生体細胞における化学反応の模倣

化学者リエンク・エルケマと彼のチームは、生体細胞における化学反応を模倣することに取り組んでいます。これらの反応は、細胞を制御するために必要な燃料を提供します。

「現在、研究者によって広く使用されている反応は5種類だけです」とエルケマは述べています。「しかし、これらの反応には2つの大きな欠点があります。1つは、反応速度が制御しづらいこと、もう1つは、特定の分子セットだけに作用することです。」

エルケマと研究の第一著者ベンジャミン・クレムは、反応速度を効果的に制御できる新しいタイプの反応を発見しました。この反応は、幅広い材料に作用します。

「反応サイクルの本質は、化学燃料を添加することで、非荷電粒子と荷電粒子の間で切り替えることができることです」とエルケマは述べています。「これにより、材料を変更し、構造を変更することができます。同等の電荷は互いに反発し、異なる電荷は互いに引き付けます。燃料の種類と量が反応速度を決定し、したがって電荷と構造が存在する期間を決定します。」

研究チームは、反応サイクルを使用して、ハイドロゲルに電荷を与え、電荷が反発してゲルが膨張することを実証しました。

ソフトロボットの構築における役割

研究者は、化学反応のサイクルがソフトロボットの構築において役割を果たす可能性があると述べています。

「ソフトロボットはすでに存在します。例えば、磁気または電気フィールドを介して外部から制御されるマイクロパーティクルです。しかし、最終的にはロボットが自分で制御できるようにしたいです。ロボットが自分で自分の位置と状況を認識し、適切に反応することができるようにしたいです」とエルケマは述べています。「私たちのサイクルを事前に粒子にプログラムし、放置すると、シグナルを受け取ったときに自動的に機能を実行します。」

エルケマは、シグナル処理をプロセスに追加することを計画しています。これにより、環境とのリンクが可能になります。

「例えば、ポリマーパーティクルにはサイクルの一部が含まれている可能性があります」とエルケマは述べています。「最後の反応成分と出会うと、サイクルが完了し、シグナルとして作用して分解または膨張することができます。」

人間やその他の生物の細胞は、エネルギーを必要とします。

「私たちが食べる必要がある理由もそれです」とエルケマは説明しています。「エネルギーと機能のリンクは、化学反応を介して行われます。これが生体を定義するものです。細胞が構造を形成したりプロセスを実行したりするタイミングと場所を制御できるようにします。局所的に、限定的な時間の間です。」

一方、非生物材料はエネルギー供給なしで機能し、永遠に存在できます。化学燃料を使用して非生物材料の相互作用を駆動するプロセスが存在するようになったのは10年前です。

「私たちがここで導入し、他の場所でも導入して以来、この分野は爆発的に成長しました」とエルケマは結論しています。