Pesquisadores Preparam o Caminho para Materiais de Próxima Geração Inspirados na Vida

Um novo material inspirado em sistemas vivos muda seu comportamento elétrico com base em experiências anteriores. Desenvolvido por pesquisadores da Universidade Aalto, ele alcançou efetivamente uma forma básica de memória adaptativa. 

Materiais adaptativos como esse podem desempenhar um papel fundamental no desenvolvimento de sensores médicos e ambientais de próxima geração, bem como em robôs macios e superfícies ativas.

Materiais Responsivos em Sistemas Viventes

Materiais responsivos podem ser encontrados em uma ampla gama de aplicações, como óculos que escurecem na luz solar. No entanto, os materiais existentes sempre reagem da mesma maneira, e sua resposta a uma mudança é independente de sua história. Isso significa que eles não se adaptam com base em suas experiências passadas. 

Por outro lado, os sistemas vivos adaptam seu comportamento com base em condições anteriores. 

Bo Peng é um Pesquisador Sênior da Academia na Universidade Aalto e um dos autores sênior da pesquisa. 

“Um dos próximos grandes desafios na ciência dos materiais é desenvolver materiais verdadeiramente inteligentes inspirados em organismos vivos,” diz Peng. “Queríamos desenvolver um material que ajustasse seu comportamento com base em sua história.” 

Alcançando Memória Adaptativa em Materiais

A equipe primeiro sintetizou microesferas magnéticas de tamanho micrométrico antes de estimulá-las com um campo magnético. As microesferas se empilhavam para formar pilares sempre que o ímã era ligado, e a força do campo magnético impactava a forma dos pilares. Essas formas afetam como os pilares conduzem eletricidade. 

‘Com esse sistema, acoplamos o estímulo do campo magnético e a resposta elétrica. Interessantemente, descobrimos que a condutividade elétrica depende de variarmos o campo magnético rapidamente ou lentamente,” explica Peng. “Isso significa que a resposta elétrica depende da história do campo magnético. O comportamento elétrico também era diferente se o campo magnético estivesse aumentando ou diminuindo. A resposta mostrou bistabilidade, que é uma forma elementar de memória. O material se comporta como se tivesse uma memória do campo magnético.”

A memória do sistema permite que ele se comporte de uma maneira semelhante ao aprendizado rudimentar. Durante o processo de aprendizado em organismos vivos, o elemento básico em animais é uma mudança na resposta das conexões entre neurônios. Isso é referido como sinapses, e dependendo de quão frequentemente elas são estimuladas, as sinapses nos neurônios se tornam mais difíceis ou mais fáceis de ativar. A mudança é chamada de plasticidade sináptica de curto prazo, e ela torna a conexão entre um par de neurônios mais forte ou mais fraca dependendo de sua história. 

A equipe de pesquisadores alcançou um sistema semelhante com as microesferas magnéticas, mas o mecanismo é diferente. Quando as microesferas são expostas a um campo magnético pulsando rapidamente, o material pode conduzir eletricidade melhor. Mas se elas são expostas a pulsos mais lentos, elas conduzem mal. 

Olli Ikkala é um Professor Distinguido da Aalto. 

“Nosso material funciona um pouco como uma sinapse,” diz Ikkala. “O que demonstramos abre o caminho para a próxima geração de materiais inspirados na vida, que se basearão em processos biológicos de adaptação, memória e aprendizado.”

“No futuro, pode haver ainda mais materiais que sejam inspirados algoritmicamente por propriedades semelhantes à vida, embora não envolvam a complexidade completa dos sistemas biológicos. Tais materiais serão centrais para a próxima geração de robôs macios e para monitoramento médico e ambiental,” conclui Ikkala.