Дослідники відкрили новий процес для імітації життя в неживих матеріалах

Команда дослідників з Дельфтського технічного університету відкрила новий процес, який може допомогти імітувати життя в неживих матеріалах, таких як робототехніка. Новий процес залежить від палива для контролю неживих матеріалів подібно до того, як це роблять живі клітини.

Команда стверджує, що цикл реакції можна застосувати до широкого спектра матеріалів. Його швидкість також можна контролювати, відкриваючи багато можливостей у цій галузі. Нова розробка також може відіграти велику роль у майбутній робототехніці, з м’якими машинами, які відчувають свою довкілля і реагують відповідним чином.

Результати дослідження були опубліковані в Nature Communications.

Імітація хімічних реакцій у живих клітинах

Хімік Рінк Еелкема і його команда працюють над імітацією хімічних реакцій у живих клітинах, які забезпечують необхідне паливо для контролю клітини. Ці реакції керують неживими матеріалами подібно до того, як це роблять живі клітини, але вони обмежені.

“До цього моменту існує лише близько п’яти типів реакцій, які широко використовуються дослідниками”, – говорить Еелкема. “Ці реакції мають два великих недоліки: їхню швидкість важко контролювати, і вони працюють лише з певним набором молекул”.

Разом з Бенджаміном Клеммом, головним автором дослідження, пара відкрила новий тип реакції, швидкість якої можна ефективно контролювати. Ця реакція працює з широким спектром матеріалів.

“Суть реакційного циклу полягає в тому, що він може перемикатися між незарядженою і зарядженою частинкою шляхом додавання хімічного палива до нього”, – продовжує Еелкема. “Це дозволяє нам змінювати матеріали і таким чином модифікувати структури цих матеріалів, оскільки однакові заряди відштовхують одна одну, а різні заряди притягують одна одну. Тип і кількість палива визначає швидкість реакції, а отже, тривалість заряду і структури, які існують”.

Одним з того, що зробила команда, було використання їхнього реакційного циклу для зарядки гідрогелю, що призвело до того, що заряди відштовхували одна одну, а гель набухав.

Роль у будівництві м’яких роботів

Дослідники стверджують, що цикл хімічних реакцій може відіграти роль у будівництві м’яких роботів.

“М’які роботи вже існують, наприклад, мікрочастинки, які контролюються зовні через магнітні або електричні поля. Але в кінцевому підсумку ви хотіли б, щоб робот міг контролювати себе: бачити, де він знаходиться і що відбувається, і реагувати відповідним чином”, – говорить Еелкема. “Ви можете запрограмувати наш цикл у частинку заздалегідь, потім залишити її одну, і вона виконуватиме свою функцію самостійно, як тільки зустріне сигнал до цього”.

Еелкема тепер планує додати обробку сигналів до процесу, який пов’язує його з довкіллям.

“Наприклад, полімерна частинка могла б містити деякі компоненти такого циклу”, – говорить він. “Коли вона зустрічає останню частину реакції, цикл завершується, слугуючи сигналом до розкладання або набухання, наприклад”.

Клітини у людей і інших організмів залежать від енергії для функціонування.

“Це також причина, чому нам потрібно їсти”, – пояснює Еелкема. “Це зв’язування енергії з функцією відбувається через хімічні реакції і визначає живі істоти. Воно дозволяє клітинам контролювати, коли і де утворюються структури або відбуваються процеси, локально і протягом обмеженого часу”.

З іншого боку, неживі матеріали можуть функціонувати без енергопостачання і існувати вічно. До цього моменту процеси, які могли б використовувати хімічне паливо для керування взаємодією в неживих матеріалах, не існували.

“Ми ввели це тут у Дельфі, разом з кількома іншими місцями, і з тих пір ця галузь вибухнула”, – підсумовує Еелкема.