Исследователи проложили путь для материалов следующего поколения, вдохновленных жизнью

Новый материал, вдохновленный живыми системами, изменяет свое электрическое поведение в зависимости от предыдущего опыта. Разработанный исследователями в Университете Аалто, он эффективно достиг базовой формы адаптивной памяти. 

Адаптивные материалы, такие как этот, 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

Отзывчивые материалы можно найти в широком диапазоне применений, таких как очки, которые темнеют на солнечном свете. Однако существующие материалы всегда реагируют одинаково, и их ответ 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. 

Bo Peng является исследователем Академии в Университете Аалто и одним из старших авторов исследования. 

“Одной из следующих больших задач в области науки о материалах является разработка真正 умных материалов, вдохновленных живыми организмами,” говорит Peng. “Мы хотели разработать материал, который будет корректировать свое поведение на основе своей истории.” 

Достижение адаптивной памяти в материалах

Сначала команда синтезировала микрометровые магнитные бусины, а затем стимулировала их магнитным полем. Бусины складывались в столбцы всякий раз, когда магнит включался, и сила магнитного поля влияла на форму столбцов. Эти формы влияют на то, как хорошо столбцы проводят электричество. 

“С этой системой мы связали магнитное поле стимуляции и электрический ответ. Интересно, что мы обнаружили, что электрическая проводимость зависит от того, изменяем ли мы магнитное поле быстро или медленно,” объясняет Peng. “Это означает, что электрический ответ зависит от истории магнитного поля. Электрическое поведение также было khácным, если магнитное поле увеличивалось или уменьшалось. Ответ показал бистабильность, которая является элементарной формой памяти. Материал ведет себя так, как будто он имеет память о магнитном поле.”

Память системы позволяет ей вести себя подобно примитивному обучению. В процессе обучения в живых организмах основным элементом в животных является изменение ответа соединений между нейронами. Это называется синапсами, и в зависимости от того, как часто они стимулируются, синапсы в нейронах становятся либо более трудными, либо более легкими для активации. Изменение называется кратковременной синаптической пластичностью, и оно делает связь между парой нейронов сильнее или слабее в зависимости от их истории. 

Команда исследователей достигла подобной системы с магнитными бусинами, но механизм khác. Когда бусины подвергаются воздействию быстро пульсирующего магнитного поля, материал может лучше проводить электричество. Но если они подвергаются более медленному пульсированию, они проводят плохо. 

Olli Ikkala является заслуженным профессором в Университете Аалто. 

“Наш материал функционирует немного как синапс,” говорит Ikkala. “То, что мы продемонстрировали, проложило путь для следующего поколения материалов, вдохновленных жизнью, которые будут опираться на биологические процессы адаптации, памяти и обучения.”

“В будущем могут быть еще более материалы, которые будут алгоритмически вдохновлены жизнеподобными свойствами, хотя они не будут включать полную сложность биологических систем. Такие материалы будут центральными для следующего поколения мягких роботов и для медицинского и экологического мониторинга,” заключает Ikkala.