Naukowcy przygotowują drogę dla materiałów inspirowanych życiem

Nowy materiał inspirowany systemami żywymi zmienia swoje zachowanie elektryczne w zależności od poprzednich doświadczeń. Opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Aalto, skutecznie osiągnął podstawową formę pamięci adaptacyjnej.

Materiały adaptacyjne, takie jak ten, mogą odegrać kluczową rolę w rozwoju następnej generacji czujników medycznych i środowiskowych, a także w robotach miękkich i aktywnych powierzchniach.

Materiały Reaktywne w Systemach Żyjących

Materiały reaktywne można znaleźć w szerokim zakresie zastosowań, takich jak okulary, które ciemnieją na świetle słonecznym. Jednak istniejące materiały zawsze reagują w ten sam sposób, a ich odpowiedź na zmianę jest niezależna od ich historii. Oznacza to, że nie adaptują się w oparciu o swoje poprzednie doświadczenia.

Z drugiej strony, systemy żyjące adaptują swoje zachowanie w oparciu o poprzednie warunki.

Bo Peng jest Academy Research Fellow na Uniwersytecie Aalto i jednym z głównych autorów badania.

„Jednym z następnych dużych wyzwań w naukach o materiałach jest rozwój prawdziwie inteligentnych materiałów inspirowanych organizmami żywymi”, mówi Peng. „Chcieliśmy opracować materiał, który dostosuje swoje zachowanie w oparciu o swoją historię.”

Osiąganie Pamięci Adaptacyjnej w Materiałach

Zespół najpierw syntetyzował mikrometryczne magnetyczne kulki, a następnie stymulował je polem magnetycznym. Kulki ustawiały się w słupki, gdy magnes był włączony, a siła pola magnetycznego wpływała na kształt słupków. Te kształty wpływają na to, jak dobrze słupki przewodzą prąd elektryczny.

„Z tym systemem, połączyliśmy stymulację pola magnetycznego i odpowiedź elektryczną. Co ciekawe, odkryliśmy, że przewodność elektryczna zależy od tego, czy zmienialiśmy pole magnetyczne szybko czy wolno”, wyjaśnia Peng. „Oznacza to, że odpowiedź elektryczna zależy od historii pola magnetycznego. Zachowanie elektryczne było również różne, jeśli pole magnetyczne rosło czy malało. Odpowiedź wykazała bistabilność, która jest podstawową formą pamięci. Materiał zachowuje się tak, jakby miał pamięć pola magnetycznego.”

Pamięć systemu umożliwia mu zachowanie się w sposób podobny do pierwotnej nauki. Podczas procesu nauki w organizmach żywych, podstawowym elementem w zwierzętach jest zmiana odpowiedzi połączeń między neuronami. Nazywa się to synapsami, a w zależności od tego, jak często są stymulowane, synapsy w neuronach stają się albo trudniejsze, albo łatwiejsze do aktywacji. Zmiana ta nazywa się krótkotrwałą plastycznością synaptyczną, a sprawia, że połączenie między parą neuronów staje się silniejsze lub słabsze w zależności od ich historii.

Zespół badaczy osiągnął podobny system z magnetycznymi kulkami, ale mechanizm jest inny. Gdy kulki są narażone na szybko pulsujące pole magnetyczne, materiał może lepiej przewodzić prąd elektryczny. Ale jeśli są narażone na wolno pulsujące, przewodzą słabo.

Olli Ikkala jest Distinguished Professor na Uniwersytecie Aalto.

„Nasz materiał działa trochę jak synapsa”, mówi Ikkala. „To, co udowodniliśmy, otwiera drogę dla następnej generacji materiałów inspirowanych życiem, które będą oparte na biologicznych procesach adaptacji, pamięci i nauki.”

„W przyszłości mogą pojawić się jeszcze więcej materiałów, które będą inspirowane algorytmicznie właściwościami życia, chociaż nie będą zawierać pełnej złożoności systemów biologicznych. Takie materiały będą kluczowe dla następnej generacji robotów miękkich i dla monitorowania medycznego i środowiskowego”, kończy Ikkala.