Исследователи прокладывают путь к вдохновленным жизнью материалам следующего поколения

Новый материал, вдохновленный живыми системами, меняет свое электрическое поведение на основе предыдущего опыта. Разработанный исследователями из Университета Аалто, он эффективно достиг базовой формы адаптивной памяти. 

Подобные адаптивные материалы могут сыграть ключевую роль в разработке медицинских и экологических датчиков следующего поколения, а также в мягких роботах и ​​активных поверхностях.

Отзывчивые материалы в живых системах

Адаптивные материалы можно найти в самых разных областях применения, например, в очках, которые затемняются на солнце. Однако существующие материалы всегда реагируют одинаково, и их реакция на изменение не зависит от их истории. Это означает, что они не адаптируются на основе своего прошлого опыта. 

С другой стороны, живые системы адаптируют свое поведение на основе предыдущих условий. 

Бо Пэн — научный сотрудник Академии Университета Аалто и один из старших авторов исследованиями. 

«Одной из следующих больших задач в материаловедении является разработка действительно умных материалов, вдохновленных живыми организмами», — говорит Пэн. «Мы хотели разработать материал, который будет корректировать свое поведение в зависимости от своей истории». 

Достижение адаптивной памяти в материалах

Сначала команда синтезировала магнитные шарики микрометрового размера, а затем стимулировала их магнитным полем. Бусины складывались в столбики всякий раз, когда включался магнит, а сила магнитного поля влияла на форму столбиков. Эти формы влияют на то, насколько хорошо столбы проводят электричество. 

«В этой системе мы объединили воздействие магнитного поля и электрическую реакцию. Интересно, что мы обнаружили, что электропроводность зависит от того, быстро или медленно мы меняли магнитное поле», — объясняет Пэн. «Это означает, что электрический отклик зависит от истории магнитного поля. Электрическое поведение также было различным, если магнитное поле увеличивалось или уменьшалось. Ответ показал бистабильность, которая является элементарной формой памяти. Материал ведет себя так, как будто у него есть память о магнитном поле».

Память системы позволяет ей вести себя подобно элементарному обучению. В процессе обучения живых организмов основным элементом у животных является изменение реакции связей между нейронами. Это называется синапсами, и в зависимости от того, как часто они стимулируются, синапсы в нейронах становятся либо труднее, либо легче активироваться. Это изменение называется кратковременной синаптической пластичностью, и оно делает связь между парой нейронов сильнее или слабее в зависимости от их истории. 

Группа исследователей создала аналогичную систему с магнитными шариками, но механизм у них другой. Когда шарики подвергаются воздействию быстро пульсирующего магнитного поля, материал лучше проводит электричество. Но если они подвергаются более медленной пульсации, они плохо проводят ток. 

Олли Иккала — заслуженный профессор Аалто. 

«Наш материал немного похож на синапс, — говорит Иккала. «То, что мы продемонстрировали, прокладывает путь к следующему поколению вдохновленных жизнью материалов, которые будут опираться на биологические процессы адаптации, памяти и обучения».

«В будущем может появиться ещё больше материалов, алгоритмически вдохновлённых свойствами живых организмов, хотя они и не будут обладать всей сложностью биологических систем. Такие материалы будут играть ключевую роль в создании следующего поколения мягких роботов, а также в медицинском и экологическом мониторинге», — заключает Иккала.