Cercetătorii deschid calea pentru materialele de generație următoare inspirate din viață

Un material nou, inspirat din sistemele vii, își schimbă comportamentul electric în funcție de experiența anterioară. Dezvoltat de cercetători de la Universitatea Aalto, a realizat în mod eficient o formă de bază a memoriei adaptive. 

Materialele adaptive, cum ar fi acesta, ar putea juca un rol cheie în dezvoltarea senzorilor medicali și de mediu de generație următoare, precum și în roboți moi și suprafețe active.

Materialele responsive în sistemele vii

Materialele responsive pot fi găsite într-o gamă largă de aplicații, cum ar fi ochelarii de soare care se întunecă la lumina soarelui. Cu toate acestea, materialele existente reacționează întotdeauna în același mod, iar răspunsul lor la o schimbare este independent de istoria lor. Acest lucru înseamnă că nu se adaptează în funcție de experiențele lor anterioare. 

Pe de altă parte, sistemele vii își adaptează comportamentul în funcție de condițiile anterioare. 

Bo Peng este un cercetător academian la Universitatea Aalto și unul dintre autorii seniori ai cercetării. 

„Una dintre următoarele mari provocări în știința materialelor este dezvoltarea unor materiale cu adevărat inteligente, inspirate din organisme vii”, spune Peng. „Am vrut să dezvoltăm un material care să-și ajusteze comportamentul în funcție de istoria sa.” 

Realizarea memoriei adaptive în materiale

Echipa a sintetizat inițial perle magnetice de dimensiuni micrometrice, apoi le-a stimulat cu un câmp magnetic. Perlele s-au îngrămădit pentru a forma stâlpi ori de câte ori magnetul a fost activat, iar puterea câmpului magnetic a afectat forma stâlpilor. Aceste forme afectează modul în care stâlpii conduc electricitatea. 

„Cu acest sistem, am cuplat stimulul câmpului magnetic și răspunsul electric. În mod interesant, am descoperit că conductivitatea electrică depinde de viteza cu care am variat câmpul magnetic. Acest lucru înseamnă că răspunsul electric depinde de istoria câmpului magnetic. Comportamentul electric a fost, de asemenea, diferit dacă câmpul magnetic a crescut sau a scăzut. 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 să se comporte într-un mod similar cu învățarea rudimentară. În timpul procesului de învățare în organisme vii, elementul de bază în animale este o schimbare în răspunsul conexiunilor dintre neuroni. Acesta se numește sinapsă, iar în funcție de frecvența cu care sunt stimulate, sinapsele din neuroni devin mai greu sau mai ușor de activat. Schimbarea se numește plasticitate sinaptică pe termen scurt și face ca legătura dintre o pereche de neuroni să fie mai puternică sau mai slabă, în funcție de istoria lor. 

Echipa de cercetători a realizat un sistem similar cu perlele magnetice, dar mecanismul este diferit. Când perlele sunt expuse la un câmp magnetic cu puls rapid, materialul poate conduce mai bine electricitatea. Dar dacă sunt expuse la puls lent, conduc slab. 

Olli Ikkala este un profesor distins la Aalto. 

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

„În viitor, ar putea exista și mai multe materiale care sunt inspirate algoritmic de proprietățile vii, deși nu vor implica complexitatea deplină a sistemelor biologice. Astfel de materiale vor fi centrale pentru următoarea generație de roboți moi și pentru monitorizarea medicală și de mediu”, concluzionează Ikkala.