Forskere baner vei for neste generasjons liv-inspirerte materialer

Et nytt materiale inspirert av levende systemer endrer sitt elektriske atferd basert på tidligere erfaring. Utviklet av forskere ved Aalto University, har det effektivt oppnådd en grunnleggende form for adaptivt minne. 

Adaptive materialer som dette kan spille en nøkkelrolle i utviklingen av neste generasjons medisinske og miljømessige sensorer, samt i myke roboter og aktive overflater.

Responsive Materialer i Levende Systemer

Responsivt materiale kan finnes i en rekke applikasjoner, som briller som mørkner i sollys. Men eksisterende materialer reagerer alltid på samme måte, og deres respons på en endring er uavhengig av deres historie. Dette betyr at de ikke tilpasser seg basert på deres tidligere erfaringer. 

På den andre siden tilpasser levende systemer sitt atferd basert på tidligere betingelser. 

Bo Peng er en Academy Research Fellow ved Aalto University og en av de senior forfatterne av forskningen. 

“En av de neste store utfordringene i materialvitenskap er å utvikle virkelig smarte materialer inspirert av levende organismer,” sier Peng. “Vi ønsket å utvikle et materiale som ville justere sitt atferd basert på sin historie.” 

Oppnåelse av Adaptivt Minne i Materialer

Teamet syntetiserte først mikrometer-størrelse magnetiske kuler før de stimulerte dem med et magnetfelt. Kulene stablet seg opp til å danne søyler hver gang magneten ble slått på, og styrken på magnetfeltet påvirkte formen på søylene. Disse formene påvirker hvordan godt søylene leder elektrisitet. 

‘Med dette systemet, koblet vi magnetfelt-stimulansen og den elektriske responsen. Interessant nok, fant vi at den elektriske ledningsevnen avhenger av om vi varierte magnetfeltet raskt eller sakte,” forklarer Peng. “Det betyr at den elektriske responsen avhenger av magnetfeltets historie. Den elektriske atferden var også forskjellig hvis magnetfeltet økte eller sank. Responsen viste bistabilitet, som er en grunnleggende form for minne. Materiale oppfører seg som om det har et minne om magnetfeltet.”

Systemets minne gjør det mulig for det å oppføre seg på en måte som ligner rudimentær læring. Under læreprosessen i levende organismer, er den grunnleggende enheten i dyr en endring i responsen på forbindelser mellom nerveceller. Dette kalles synapser, og avhengig av hvor ofte de stimuleres, blir synapsene i nervecellene enten harder eller lettere å aktivere. Endringen kalles kortvarig synaptisk plasticitet, og den gjør forbindelsen mellom et par nerveceller sterkere eller svakere avhengig av deres historie. 

Forskerlaget oppnådde et lignende system med magnetiske kuler, men mekanismen er forskjellig. Når kulene utsettes for et raskt pulserende magnetfelt, kan materialet bedre lede elektrisitet. Men hvis de utsettes for et sakte pulserende felt, leder de dårlig. 

Olli Ikkala er en Distinguished Professor ved Aalto. 

“Vårt materiale fungerer litt som en synapse,” sier Ikkala. “Hva vi har demonstrert baner vei for neste generasjons liv-inspirerte materialer, som vil bygge på biologiske prosesser for tilpasning, minne og læring.”

“I fremtiden kan det være enda flere materialer som er algoritmer inspirert av liv-lignende egenskaper, selv om de ikke vil inneholde full kompleksitet av biologiske systemer. Slike materialer vil være sentrale for neste generasjons myke roboter og for medisinsk og miljøovervåking,” konkluderer Ikkala.