Araştırmacılar Gelecek Nesil Yaşam Esinli Malzemeler için Yol Açtı

Canlı sistemlerden esinlenen yeni bir malzeme, önceki deneyimine bağlı olarak elektriksel davranışını değiştirir. Aalto Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından geliştirilen malzeme, temel bir adaptif hafıza formunu etkili bir şekilde gerçekleştirdi.

Bu tür adaptif malzemeler, next-gen tıbbi ve çevresel sensörlerin, yumuşak robotların ve aktif yüzeylerin geliştirilmesinde kilit bir rol oynayabilir.

Canlı Sistemlerde Responsif Malzemeler

Responsif malzemeler, güneş ışığında kararan gözlükler gibi çeşitli uygulamalarda bulunabilir. Ancak mevcut malzemeler her zaman aynı şekilde tepki verir ve değişime tepkileri geçmişlerinden bağımsızdır. Bu nedenle, geçmiş deneyimlerine dayanarak adapte olmazlar.

Öte yandan, canlı sistemler davranışlarını önceki koşullara bağlı olarak adapte eder.

Bo Peng, Aalto Üniversitesi’nde bir Akademi Araştırma Üyesi ve araştırmanın kıdemli yazarlarından biridir.

“Malzeme bilimindeki bir sonraki büyük zorluk, gerçekten akıllı malzemeler geliştirmektir. Yaşam formlarından esinlenen malzemeler geliştirmek istedik. Geçmişine bağlı olarak davranışını değiştirebilen bir malzeme geliştirmek istedik.”

Malzemelerde Adaptif Hafıza Gerçekleştirmek

Araştırmacılar önce mikrometre büyüklüğünde manyetik boncuklar sentezlediler ve daha sonra manyetik bir alanla uyarıldılar. Boncuklar, manyetik alan açıldığında sütunlar oluşturdu ve manyetik alanın gücü sütunların şeklini etkiledi. Bu şekiller, sütunların elektriksel olarak nasıl iletim yaptığı etkiler.

“Bu sistemde, manyetik alan stimulusunu ve elektriksel tepkiyi birleştirdik. İlginç bir şekilde, elektriksel iletkenliğin manyetik alanın hızlı veya yavaş değişmesine bağlı olduğunu bulduk. Bu, manyetik alanın geçmişine bağlı olarak elektriksel davranışın değiştiği anlamına gelir. Manyetik alan artarken veya azalırken elektriksel davranış da farklıydı. Tepki, temel bir hafıza formu olan bistabilite gösterdi. Malzeme, manyetik alanın bir hafızası varmış gibi davranıyor.”

Sistemdeki hafıza, malzemenin ilkel bir öğrenme biçimi gibi davranmasına olanak tanır. Canlı organizmalardaki öğrenme sürecinde, temel unsur, sinir hücreleri arasındaki bağlantıların tepkisidir. Bu, sinaps olarak adlandırılır ve sinir hücrelerindeki sinapsların nasıl uyarıldığına bağlı olarak daha zor veya daha kolay aktive edilir. Bu değişiklik, kısa süreli sinaptik plastisite olarak adlandırılır ve sinir hücrelerindeki bağlantıların gücünü etkiler.

Araştırmacılar, manyetik boncuklarla benzer bir sistem geliştirdiler, ancak mekanizma farklıdır. Boncuklar hızlı bir manyetik alanla uyarıldığında, malzeme elektriksel olarak daha iyi iletkenlik gösterir. Ancak yavaş bir manyetik alanla uyarıldığında, kötü iletkenlik gösterir.

Olli Ikkala, Aalto Üniversitesi’nde bir Seçkin Profesör.

“Malzeme, bir sinaps gibi çalışıyor. Gösterdiğimiz şey, yaşam formlarından esinlenen malzemelerin bir sonraki neslini mümkün kılıyor. Bu malzemeler, adaptasyon, hafıza ve öğrenme biyolojik süreçlerine dayanacaktır.”

“Gelecekte, yaşam benzeri özelliklerle algoritmik olarak esinlenen daha fazla malzeme olabilir. Ancak bunlar biyolojik sistemlerin tam karmaşıklığını içermeyecek. Bu malzemeler, yumuşak robotların ve tıbbi ve çevresel izlemenin bir sonraki nesli için merkezi olacaktır.”