Исследователи открывают новый процесс для имитации жизни в неодушевлённых материалах

Команда исследователей в Дельфтском университете технологий открыла новый процесс, который может помочь имитировать жизнь в неодушевлённых материалах, таких как роботы. Новый процесс полагается на топливо для управления неодушевлёнными материалами подобно тому, как живые клетки делают это.

Команда говорит, что цикл реакции может быть применён к широкому спектру материалов. Его скорость также может быть контролируема, открывая много возможностей в этой развивающейся области. Новый прорыв также может сыграть большую роль в будущей мягкой робототехнике, где мягкие машины могут чувствовать свою среду и реагировать соответствующим образом.

Результаты команды были опубликованы в Nature Communications.

Имитация химических реакций в живых клетках

Химик Ринк Эелкема и его команда работают над имитацией химических реакций в живых клетках, которые обеспечивают необходимое топливо для управления клеткой. Эти реакции приводят неодушевлённые материалы в движение подобно тому, как живые клетки, 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 определённым 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 путём добавления химического топлива к нему”, – продолжает Эелкема. “Это позволяет нам изменять материалы и, следовательно, модифицировать структуры этих материалов, 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, следовательно, данная структура.”

Одним из того, что сделала команда, было 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 говорят, что цикл химических реакций может сыграть роль в создании мягких роботов.

“Мягкие роботы уже существуют, например, микрочастицы, контролируемые внешне через магнитные или электрические поля. Но в конечном итоге вы бы хотели, чтобы робот мог контролировать себя: видеть сам для себя, где он находится и что происходит, и затем реагировать соответствующим образом”, – говорит Эелкема. “Вы можете запрограммировать наш цикл в частицу заранее, затем оставить её в покое, и она выполняет свою функцию самостоятельно, как только она встречает 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. “Это 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, неодушевлённые материалы могут функционировать без энергоснабжения и существовать вечно. До десяти лет назад не существовало процессов, которые могли бы использовать химическое топливо для управления взаимодействиями в неодушевлённых материалах.

“Мы ввели это здесь, в Дельфте, вместе с несколькими другими местами, и с тех пор эта область взорвалась”, – заключает Эелкема.