Ученые открыли новый процесс для имитации жизни в неживых материалах

Команда исследователей из Дельфтского технологического университета открыла новый процесс, который может помочь имитировать жизнь в неживых материалах, таких как роботы. Новый процесс основан на использовании топлива для управления неживыми материалами подобно тому, как живые клетки делают это.

Команда утверждает, что реакционный цикл может быть применен к широкому спектру материалов. Его скорость также может быть контролируема, что открывает много возможностей в этой развивающейся области. Новое развитие также может сыграть большую роль в будущей мягкой робототехнике, где мягкие машины будут чувствовать свою среду и реагировать соответствующим образом.

Результаты исследования были опубликованы в Nature Communications.

Моделирование химических реакций в живых клетках

Химик Ринк Эелкема и его команда работают над моделированием химических реакций в живых клетках, которые обеспечивают необходимое топливо для управления клеткой. Эти реакции приводят в движение неживые материалы подобно тому, как живые клетки делают это, но они ограничены.

«До сих пор существует только около пяти типов реакций, которые широко используются исследователями», – говорит Эелкема. «Эти реакции имеют два основных недостатка: их скорость трудно контролировать, и они работают только с определенным набором молекул».

Вместе с Бенджамином Клеммом, ведущим автором исследования, пара открыла новый тип реакции, скорость которой можно эффективно контролировать. Эта реакция работает с широким спектром материалов.

«Суть реакционного цикла заключается в том, что он может переключаться между незаряженной и заряженной частицей путем добавления химического топлива», – продолжает Эелкема. «Это позволяет нам изменять материалы и, таким образом, модифицировать их структуры, поскольку равные заряды отталкивают друг друга, а разные заряды притягивают друг друга. Тип и количество топлива определяет скорость реакции и, следовательно, как долго существует заряд и, таким образом, данная структура».

Одним из действий команды стало использование их реакционного цикла для зарядки гидрогеля, что привело к тому, что заряды отталкивали друг друга, и гель набухал.

Роль в создании мягких роботов

Исследователи утверждают, что цикл химических реакций может сыграть роль в создании мягких роботов.

«Мягкие роботы уже существуют, например, микрочастицы, контролируемые внешне с помощью магнитных или электрических полей. Но в конечном итоге вы хотели бы, чтобы робот мог контролировать себя: видеть, где он находится и что происходит, и затем реагировать соответствующим образом», – говорит Эелкема. «Вы можете запрограммировать наш цикл в частицу заранее, затем оставить ее одну, и она будет выполнять свою функцию независимо, как только встретит сигнал для этого».

Эелкема теперь будет работать над добавлением обработки сигналов к процессу, что связывает его с окружающей средой.

«Например, полимерная частица может содержать некоторые компоненты такого цикла», – говорит он. «Когда она встречает последнюю часть реакции, цикл завершается, служа сигналом для разрушения или набухания, например».

Клетки в человеческом организме и других организмах полагаются на энергию для функционирования.

«Это также причина, по которой нам нужно есть», – объясняет Эелкема. «Связывание энергии с функцией происходит через химические реакции и определяет живые существа. Это позволяет клеткам контролировать, когда и где образуются структуры или происходят процессы, локально и в течение ограниченного времени».

С другой стороны, неживой материал может функционировать без энергоснабжения и существовать вечно. До десяти лет назад не существовало процессов, которые могли бы использовать химическое топливо для управления взаимодействиями в неживых материалах.

«Мы ввели это здесь, в Дельфте, вместе с несколькими другими местами, и с тех пор эта область бурно развилась», – заключает Эелкема.