Forskere baner vei for neste generasjons livsinspirerte materialer

Et nytt materiale inspirert av levende systemer endrer sin elektriske oppførsel basert på tidligere erfaringer. Utviklet av forskere ved Aalto-universitetet, har den effektivt oppnådd en grunnleggende form for adaptivt minne. 

Adaptive materialer som dette kan spille en nøkkelrolle i utviklingen av neste generasjons medisinske og miljøsensorer, så vel som i myke roboter og aktive overflater.

Responsive materialer i levende systemer

Responsive materialer kan finnes på tvers av et bredt spekter av bruksområder, for eksempel briller som blir mørkere i sollys. Imidlertid reagerer eksisterende materialer alltid på samme måte, og deres respons på en endring er uavhengig av deres historie. Dette betyr at de ikke tilpasser seg basert på tidligere erfaringer. 

På den annen side tilpasser levende systemer sin atferd basert på tidligere forhold. 

Bo Peng er akademiforsker ved Aalto-universitetet og en av seniorforfatterne av forskning. 

"En av de neste store utfordringene innen materialvitenskap er å utvikle virkelig smarte materialer inspirert av levende organismer," sier Peng. "Vi ønsket å utvikle et materiale som ville justere oppførselen basert på historien." 

Oppnå adaptivt minne i materialer

Teamet syntetiserte først magnetiske perler på mikrometer før de stimulerte dem med et magnetfelt. Perlene stablet opp for å danne søyler hver gang magneten ble slått på, og styrken på magnetfeltet påvirket formen på søylene. Disse formene påvirker hvor godt søylene leder elektrisitet. 

«Med dette systemet koblet vi magnetfeltstimulusen og den elektriske responsen. Interessant nok fant vi ut at den elektriske ledningsevnen avhenger av om vi varierte magnetfeltet raskt eller sakte, forklarer Peng. "Det betyr at den elektriske responsen avhenger av historien til magnetfeltet. Den elektriske oppførselen var også forskjellig om magnetfeltet økte eller avtok. Responsen viste bistabilitet, som er en elementær form for hukommelse. Materialet oppfører seg som om det har et minne om magnetfeltet.»

Systemets minne gjør at det kan oppføre seg på en måte som ligner på rudimentær læring. Under læringsprosessen i levende organismer er det grunnleggende elementet i dyr en endring i responsen til forbindelser mellom nevroner. Dette omtales som synapser, og avhengig av hvor ofte de blir stimulert, blir synapsene i nevronene enten vanskeligere eller lettere å aktivere. Endringen kalles kortsiktig synaptisk plastisitet, og den gjør forbindelsen mellom et par nevroner sterkere eller svakere avhengig av deres historie. 

Forskerteamet oppnådde et lignende system med de magnetiske kulene, men mekanismen er annerledes. Når kulene utsettes for et raskt pulserende magnetfelt, kan materialet bedre lede elektrisitet. Men hvis de utsettes for langsommere pulsering, leder de dårlig. 

Olli Ikkala er en fremtredende professor ved Aalto. 

"Materialet vårt fungerer litt som en synapse," sier Ikkala. "Det vi har demonstrert baner vei for neste generasjon av livsinspirerte materialer, som vil trekke på biologiske prosesser med tilpasning, hukommelse og læring."

«I fremtiden kan det finnes enda flere materialer som er algoritmisk inspirert av naturtro egenskaper, selv om de ikke vil involvere hele kompleksiteten til biologiske systemer. Slike materialer vil være sentrale for neste generasjon myke roboter og for medisinsk og miljømessig overvåking», avslutter Ikkala.