Onderzoekers banen de weg voor volgende generatie levensgeïnspireerde materialen

Een nieuw materiaal geïnspireerd door levende systemen verandert zijn elektrisch gedrag op basis van eerdere ervaring. Ontwikkeld door onderzoekers aan de Aalto Universiteit, heeft het effectief een basisvorm van adaptief geheugen bereikt.

Adaptieve materialen zoals deze kunnen een sleutelrol spelen in de ontwikkeling van next-gen medische en milieusensoren, evenals in zachte robots en actieve oppervlakken.

Reageerbare materialen in levende systemen

Reageerbare materialen kunnen worden gevonden in een breed scala aan toepassingen, zoals brilglazen die donker worden in zonlicht. Echter, bestaande materialen reageren altijd op dezelfde manier, en hun reactie op een verandering is onafhankelijk van hun geschiedenis. Dit betekent dat ze niet aanpassen op basis van hun eerdere ervaringen.

Aan de andere kant passen levende systemen hun gedrag aan op basis van eerdere omstandigheden.

Bo Peng is een Academy Research Fellow aan de Aalto Universiteit en een van de senior auteurs van het onderzoek.

“Een van de volgende grote uitdagingen in materiaalkunde is het ontwikkelen van echt slimme materialen geïnspireerd door levende organismen,” zegt Peng. “We wilden een materiaal ontwikkelen dat zijn gedrag zou aanpassen op basis van zijn geschiedenis.”

Het bereiken van adaptief geheugen in materialen

Het team synthetiseerde eerst micrometer-grote magnetische korrels voordat ze deze stimuleerden met een magnetisch veld. De korrels stapelden op tot pilaren wanneer de magneet werd ingeschakeld, en de sterkte van het magnetisch veld had invloed op de vorm van de pilaren. Deze vormen beïnvloeden hoe goed de pilaren elektriciteit geleiden.

‘Met dit systeem koppelden we de magnetisch veld stimulus en de elektrische respons. Interessant genoeg vonden we dat de elektrische conductiviteit afhankelijk is van of we het magnetisch veld snel of langzaam veranderden,” legt Peng uit. “Dat betekent dat de elektrische respons afhankelijk is van de geschiedenis van het magnetisch veld. Het elektrisch gedrag was ook anders als het magnetisch veld toenam of afnam. De respons toonde bistabiliteit, wat een elementaire vorm van geheugen is. Het materiaal gedraagt zich alsof het een geheugen van het magnetisch veld heeft.”

Het geheugen van het systeem stelt het in staat om zich te gedragen op een manier die lijkt op rudimentaire leerprocessen. Tijdens het leerproces in levende organismen is het basis-element in dieren een verandering in de respons van verbindingen tussen neuronen. Dit wordt synapsen genoemd, en afhankelijk van hoe vaak ze worden gestimuleerd, worden de synapsen in neuronen harder of gemakkelijker te activeren. De verandering wordt kortdurende synaptische plasticiteit genoemd, en het maakt de verbinding tussen een paar neuronen sterker of zwakker afhankelijk van hun geschiedenis.

Het team van onderzoekers bereikte een soortgelijk systeem met de magnetische korrels, maar het mechanisme is anders. Wanneer de korrels worden blootgesteld aan een snel pulserend magnetisch veld, kan het materiaal beter elektriciteit geleiden. Maar als ze worden blootgesteld aan langzamer pulseren, geleiden ze slecht.

Olli Ikkala is een Distinguished Professor aan de Aalto.

“Ons materiaal functioneert een beetje als een synaps,” zegt Ikkala. “Wat we hebben gedemonstreerd, baant de weg voor de volgende generatie van levensgeïnspireerde materialen, die zullen putten uit biologische processen van adaptatie, geheugen en leren.”

“In de toekomst kunnen er nog meer materialen zijn die zijn geïnspireerd door levensachtige eigenschappen, hoewel ze niet de volledige complexiteit van biologische systemen zullen omvatten. Dergelijke materialen zullen centraal staan in de volgende generatie van zachte robots en voor medische en milieumonitoring,” concludeert Ikkala.