研究者らが次世代の生命をヒントにした材料への道を切り開く

生体システムからインスピレーションを得た新しい材料は、以前の経験に基づいて電気的挙動を変化させます。 アアルト大学の研究者によって開発されたこのプログラムは、適応記憶の基本的な形式を効果的に実現しました。 

このような適応性のある材料は、次世代の医療センサーや環境センサー、さらにはソフトロボットやアクティブサーフェスの開発において重要な役割を果たす可能性があります。

生体システムにおける応答性の高い材料

応答性の高い素材は、日光の下で暗くなるガラスなど、幅広い用途で使用できます。 ただし、既存のマテリアルは常に同じように反応し、変化に対する反応はその履歴とは無関係です。 これは、彼らが過去の経験に基づいて適応しないことを意味します。 

一方、生命システムは以前の条件に基づいて行動を適応させます。 

ボー・ペンはアールト大学のアカデミー研究員であり、 研究. 

「材料科学における次の大きな課題の XNUMX つは、生物にヒントを得た真にスマートな材料を開発することです」とペン氏は言います。 「私たちは、その歴史に基づいてその挙動を調整する材料を開発したかったのです。」 

材料の適応記憶の実現

研究チームは、磁場で刺激する前に、まずマイクロメートルサイズの磁性ビーズを合成した。 磁石がオンになるたびにビーズが積み重なって柱を形成し、磁場の強さが柱の形状に影響を与えます。 これらの形状は、柱の電気伝導度に影響します。 

「このシステムでは、磁場刺激と電気的反応を組み合わせました。 興味深いことに、磁場を急速に変化させるか、ゆっくりと変化させるかによって、電気伝導率が変化することがわかりました」とペン氏は説明します。 「つまり、電気的応答は磁場の履歴に依存するということです。 磁場が増加している場合と減少している場合でも、電気的挙動も異なります。 この反応は、記憶の基本的な形態である双安定性を示しました。 この物質は、あたかも磁場の記憶を持っているかのように振る舞います。」

システムのメモリにより、初歩的な学習と同様の動作が可能になります。 生物の学習プロセスにおける動物の基本的な要素は、ニューロン間の接続の応答の変化です。 これはシナプスと呼ばれ、どれくらいの頻度で刺激されるかに応じて、ニューロンのシナプスは活性化しにくくなったり、活性化しやすくなったりします。 この変化は短期シナプス可塑性と呼ばれ、一対のニューロン間の接続がその履歴に応じて強くなったり弱くなったりします。 

研究チームは磁気ビーズを使って同様のシステムを実現しましたが、そのメカニズムは異なります。 ビーズが急速にパルスする磁場にさらされると、材料の電気伝導性が向上します。 しかし、より遅いパルスにさらされると、伝導性が低下します。 

オッリ・イッカラはアアルトの特別教授です。 

「私たちの材料はシナプスのように機能します」とイッカラ氏は言います。 「私たちが実証したことは、適応、記憶、学習の生物学的プロセスを利用した、生命をインスピレーションにした次世代の材料への道を切り開くものです。」

「将来的には、生物システムの完全な複雑性を反映するわけではありませんが、生命のような性質からアルゴリズム的にインスピレーションを得た材料がさらに多く登場する可能性があります。 このような材料は、次世代のソフトロボットや医療および環境モニタリングの中核となるでしょう」とイッカラ氏は結論づけています。