Naukowcy odkrywają nowy proces naśladujący życie w nieożywionych materiałach

Zespół naukowców z Delft University of Technology odkrył nowy proces, który może pomóc naśladować życie w nieożywionych materiałach, takich jak roboty. Nowy proces opiera się na paliwie, aby kontrolować nieożywione materiały w podobny sposób, jak robią to żywe komórki.

Zespół twierdzi, że cykl reakcji może być stosowany do szerokiej gamy materiałów. Jego szybkość może być również kontrolowana, co otwiera wiele możliwości w tej nowej dziedzinie. Nowy rozwój może również odegrać dużą rolę w przyszłej robotyce miękkiej, z maszynami miękkimi, które czują swoje otoczenie i reagują odpowiednio.

Odkrycia zespołu zostały opublikowane w Nature Communications.

Naśladowanie reakcji chemicznych w żywych komórkach

Chemik Rienk Eelkema i jego zespół pracują nad naśladowaniem reakcji chemicznych w żywych komórkach, które dostarczają paliwa niezbędnego do kontroli komórki. Te reakcje napędzają nieożywione materiały w podobny sposób, ale są ograniczone.

„Dotąd istnieje tylko około pięć rodzajów reakcji, które są powszechnie stosowane przez naukowców”, mówi Eelkema. „Te reakcje mają dwie główne wady: ich szybkość jest trudna do kontrolowania i działają tylko na określonym zestawie cząsteczek”.

Wraz z Benjaminem Klemmem, głównym autorem badania, para odkryła nowy typ reakcji, której szybkość może być skutecznie kontrolowana. Reakcja ta działa na szerokim zakresie materiałów.

„Istotą cyklu reakcji jest to, że może on przełączać się między niezaładowaną a załadowaną cząsteczką przez dodanie chemicznego paliwa”, kontynuuje Eelkema. „To pozwala nam zmieniać materiały i tym samym modyfikować struktury tych materiałów, ponieważ jednakowe ładunki odpychają się wzajemnie, a różne ładunki przyciągają się nawzajem. Rodzaj i ilość paliwa determinuje szybkość reakcji, a tym samym czas, przez jaki ładunek i tym samym dana struktura istnieje”.

Jedną z rzeczy, które zrobił zespół, było zastosowanie ich cyklu reakcji do naładowania hydrożelu, co spowodowało, że ładunki odpychały się wzajemnie, a żel puchł.

Rola w budowaniu miękkich robotów

Naukowcy twierdzą, że cykl reakcji chemicznych może odegrać rolę w budowaniu miękkich robotów.

„Miękkie roboty już istnieją, na przykład cząsteczki kontrolowane zewnętrznie przez pola magnetyczne lub elektryczne. Ale ostatecznie chciałbyś, aby robot mógł kontrolować się sam: widzieć, gdzie jest i co się dzieje, a następnie reagować odpowiednio”, mówi Eelkema. „Można zaprogramować nasz cykl w cząsteczce z wyprzedzeniem, a następnie pozostawić ją samą, a wykonuje swoją funkcję niezależnie, gdy tylko napotka sygnał do tego”.

Eelkema będzie teraz dążył do dodania przetwarzania sygnałów do procesu, co połączy go ze środowiskiem.

„Na przykład, cząsteczka polimerowa może zawierać niektóre składniki takiego cyklu”, mówi. „Gdy napotka ostatnią część reakcji, cykl zostaje ukończony, służąc jako sygnał do rozpadu lub puchnięcia, na przykład”.

Komórki w ludziach i innych organizmach polegają na energii, aby funkcjonować.

„To jest również powodem, dla którego ludzie muszą jeść”, wyjaśnia Eelkema. „To połączenie energii z funkcją ma miejsce za pośrednictwem reakcji chemicznych i jest to, co definiuje żywe istoty. Umożliwia komórkom kontrolowanie, kiedy i gdzie struktury są tworzone lub procesy zachodzą, lokalnie i przez ograniczony czas”.

Z drugiej strony, nieożywione materiały mogą funkcjonować bez dostaw energii i istnieć wiecznie. Dopiero dziesięć lat temu istniały procesy, które mogły wykorzystywać chemiczne paliwo do napędzania interakcji w nieożywionych materiałach.

„Wprowadziliśmy to tutaj w Delft, wraz z kilkoma innymi miejscami, i od tego czasu ta dziedzina wybuchła”, podsumowuje Eelkema.