Forskare banar väg för nästa generations livsinspirerade material

Ett nytt material inspirerat av levande system förändrar sitt elektriska beteende baserat på tidigare erfarenheter. Utvecklat av forskare vid Aalto universitet har det effektivt uppnått en grundläggande form av adaptivt minne.

Adaptiva material som detta kan spela en nyckelroll i utvecklingen av nästa generations medicinska och miljösensorer, samt i mjuka robotar och aktiva ytor.

Responsiva material i levande system

Responsiva material kan hittas i en mängd olika tillämpningar, såsom glasögon som mörknar i solljus. Men existerande material reagerar alltid på samma sätt, och deras svar på en förändring är oberoende av deras historia. Detta innebär att de inte anpassar sig baserat på sina tidigare erfarenheter.

Å andra sidan anpassar levande system sitt beteende baserat på tidigare förhållanden.

Bo Peng är en Academy Research Fellow vid Aalto universitet och en av de seniora författarna till forskningen.

“En av de nästa stora utmaningarna inom materialvetenskap är att utveckla riktigt smarta material inspirerade av levande organismer”, säger Peng. “Vi ville utveckla ett material som skulle justera sitt beteende baserat på sin historia.”

Att uppnå adaptivt minne i material

Teamet syntetiserade först mikrometerstora magnetiska kulor innan de stimulerades med ett magnetfält. Kulorna staplades upp för att bilda pelare när magneten var påslagen, och magnetfältets styrka påverkade pelarnas form. Dessa former påverkar hur väl pelarna leder elektricitet.

‘Med detta system kopplade vi magnetfältstimulansen och den elektriska responsen. Intressant nog fann vi att den elektriska ledningsförmågan beror på om vi varierade magnetfältet snabbt eller långsamt”, förklarar Peng. “Det betyder att den elektriska responsen beror på magnetfältets historia. Det elektriska beteendet var också annorlunda om magnetfältet ökade eller minskade. Responsen visade bistabilitet, som är en grundläggande form av minne. Materialet beter sig som om det har ett minne av magnetfältet.”

Systemets minne möjliggör att det beter sig på ett sätt som liknar rudimentär inlärning. Under inlärningsprocessen i levande organismer är den grundläggande enheten i djur en förändring i svar av anslutningar mellan neuroner. Detta kallas synapser, och beroende på hur ofta de stimuleras, blir synapserna i neuroner antingen svårare eller lättare att aktivera. Förändringen kallas kortvarig synaptisk plasticitet, och den gör anslutningen mellan ett par neuroner starkare eller svagare beroende på deras historia.

Forskargruppen uppnådde ett liknande system med de magnetiska kulorna, men mekanismen är annorlunda. När kulorna utsätts för ett snabbt pulserande magnetfält kan materialet bättre leda elektricitet. Men om de utsätts för ett långsammare pulserande, leder de dåligt.

Olli Ikkala är en Distinguished Professor vid Aalto.

“Vårt material fungerar lite som en synaps”, säger Ikkala. “Det vi har demonstrerat banar väg för nästa generation av livsinspirerade material, som kommer att dra nytta av biologiska processer för anpassning, minne och inlärning.”

“I framtiden kan det finnas ännu fler material som är algoritmiskt inspirerade av livslika egenskaper, även om de inte kommer att omfatta den fulla komplexiteten i biologiska system. Sådana material kommer att vara centrala för nästa generation av mjuka robotar och för medicinska och miljöövervakning”, avslutar Ikkala.