Ученые открыли новый процесс для模拟 жизни в неживых материалах

Команда исследователей из Дельфтского технологического университета открыла новый процесс, который может помочь模拟 жизни 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 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 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 взорвалась», – заключает Эелкема.