Cercetătorii deschid calea materialelor inspirate din viața de nouă generație

Un nou material inspirat de sistemele vii își schimbă comportamentul electric pe baza experienței anterioare. Dezvoltat de cercetătorii de la Universitatea Aalto, a atins efectiv o formă de bază de memorie adaptativă. 

Materiale adaptive precum acesta ar putea juca un rol cheie în dezvoltarea senzorilor medicali și de mediu de nouă generație, precum și în roboții moi și suprafețele active.

Materiale receptive în sistemele vii

Materialele receptive pot fi găsite într-o gamă largă de aplicații, cum ar fi ochelarii care se întunecă la lumina soarelui. Cu toate acestea, materialele existente reacţionează întotdeauna la fel, iar răspunsul lor la o schimbare este independent de istoria lor. Aceasta înseamnă că nu se adaptează pe baza experiențelor lor trecute. 

Pe de altă parte, sistemele vii își adaptează comportamentul pe baza condițiilor anterioare. 

Bo Peng este membru de cercetare al Academiei la Universitatea Aalto și unul dintre autorii principali ai cercetare. 

„Una dintre următoarele mari provocări în știința materialelor este dezvoltarea de materiale cu adevărat inteligente, inspirate de organismele vii”, spune Peng. „Am vrut să dezvoltăm un material care să-și ajusteze comportamentul pe baza istoriei sale.” 

Realizarea memoriei adaptive în materiale

Echipa a sintetizat mai întâi margele magnetice de mărimea unui micrometru înainte de a le stimula cu un câmp magnetic. Mărgelele s-au stivuit pentru a forma stâlpi ori de câte ori magnetul a fost pornit, iar puterea câmpului magnetic a afectat forma stâlpilor. Aceste forme afectează cât de bine conducă electricitatea stâlpii. 

„Cu acest sistem, am cuplat stimulul câmpului magnetic și răspunsul electric. Interesant, am descoperit că conductivitatea electrică depinde dacă am variat câmpul magnetic rapid sau lent”, explică Peng. „Asta înseamnă că răspunsul electric depinde de istoria câmpului magnetic. Comportamentul electric a fost, de asemenea, diferit dacă câmpul magnetic era în creștere sau în scădere. Răspunsul a arătat bistabilitate, care este o formă elementară de memorie. Materialul se comportă ca și cum ar avea o memorie a câmpului magnetic.”

Memoria sistemului îi permite acestuia să se comporte într-un mod similar învățării rudimentare. În timpul procesului de învățare la organismele vii, elementul de bază la animale este o modificare a răspunsului conexiunilor dintre neuroni. Acest lucru se numește sinapse și, în funcție de cât de des sunt stimulate, sinapsele din neuroni devin fie mai greu, fie mai ușor de activat. Schimbarea se numește plasticitate sinaptică pe termen scurt și face legătura dintre o pereche de neuroni mai puternică sau mai slabă, în funcție de istoricul lor. 

Echipa de cercetători a realizat un sistem similar cu margelele magnetice, dar mecanismul este diferit. Când margelele sunt expuse unui câmp magnetic care pulsa rapid, materialul poate conduce mai bine electricitatea. Dar dacă sunt expuși la pulsații mai lente, se conduc prost. 

Olli Ikkala este profesor distins la Aalto. 

„Materialul nostru funcționează un pic ca o sinapsă”, spune Ikkala. „Ceea ce am demonstrat noi deschide calea pentru următoarea generație de materiale inspirate de viață, care se vor baza pe procesele biologice de adaptare, memorie și învățare.”

„În viitor, ar putea exista și mai multe materiale inspirate algoritmic de proprietăți asemănătoare celor reale, deși nu vor implica complexitatea completă a sistemelor biologice. Astfel de materiale vor fi esențiale pentru următoarea generație de roboți moi și pentru monitorizarea medicală și a mediului”, conchide Ikkala.