Дослідники прокладají шлях для наступного покоління матеріалів, натхнених життям

Новий матеріал, натхненний живими системами, змінює свою електричну поведінку залежно від попереднього досвіду. Розроблений дослідниками університету Аалто, він фактично досяг базової форми адаптивної пам’яті.

Адаптивні матеріали, такі як цей, можуть відігравати ключову роль у розробці наступного покоління медичних і екологічних сенсорів, а також у м’яких роботах і активних поверхнях.

Відповідні матеріали в живих системах

Відповідні матеріали можна знайти в широкому діапазоні застосувань, таких як окуляри, які потемніють на сонці. Однак існуючі матеріали завжди реагують однаково, і їхня реакція на зміну незалежна від їхньої історії. Це означає, що вони не адаптуються на основі свого минулого досвіду.

З іншого боку, живі системи адаптують свою поведінку залежно від попередніх умов.

Bo Peng є дослідником Академії університету Аалто і одним із старших авторів дослідження.

“Одним із наступних великих викликів у матеріалознавстві є розробка真正их розумних матеріалів, натхнених живими організмами,” каже Пенг. “Ми хотіли розробити матеріал, який би змінював свою поведінку залежно від своєї історії.”

Досягнення адаптивної пам’яті в матеріалах

Команда спочатку синтезувала магнітні кульки розміром у мікрометри, а потім стимулювала їх магнітним полем. Кульки утворили стовпи, коли магніт був увімкнений, а сила магнітного поля вплинула на форму стовпів. Ці форми впливають на те, як добре стовпи проводять електрику.

“З цією системою ми поєднали магнітне поле стимуляції та електричну відповідь. Цікаво, що ми виявили, що електрична провідність залежить від того, чи змінюємо ми магнітне поле швидко чи повільно,” пояснює Пенг. “Це означає, що електрична відповідь залежить від історії магнітного поля. Електрична поведінка також була різною, якщо магнітне поле збільшувалося чи зменшувалося. Відповідь показала бістабільність, яка є елементарною формою пам’яті. Матеріал поводиться так, ніби він має пам’ять про магнітне поле.”

Пам’ять системи дозволяє їй поводитися таким чином, який подібний до примітивного навчання. Під час процесу навчання в живих організмах базовим елементом у тварин є зміна відповіді з’єднань між нейронами. Це називається синапсами, і залежно від того, як часто вони стимулюються, синапси в нейронах стають або жорсткішими, або м’якішими для активації. Ця зміна називається короткочасною синаптичною пластичністю, і вона робить з’єднання між парою нейронів сильнішим або слабшим залежно від їхньої історії.

Команда дослідників досягла подібної системи з магнітними кульками, але механізм khácний. Коли кульки піддаються快速ному імпульсному магнітному полю, матеріал може краще проводити електрику. Але якщо вони піддаються повільному імпульсному магнітному полю, вони проводять погано.

Оллі Іккала є видатним професором університету Аалто.

“Наш матеріал працює трохи як синапс,” каже Іккала. “Що ми продемонстрували, прокладає шлях для наступного покоління матеріалів, натхнених життям, які будуть використовувати біологічні процеси адаптації, пам’яті та навчання.”

“У майбутньому можуть бути ще більше матеріалів, які будуть алгоритмічно натхнені властивостями, подібними до життя, хоча вони не будуть включати повну складність біологічних систем. Такі матеріали будуть центральними для наступного покоління м’яких роботів та для медичного та екологічного моніторингу,” підсумовує Іккала.