Các nhà nghiên cứu khám phá quy trình mới để bắt chước sự sống trong vật liệu không sống

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft đã phát hiện ra một quy trình mới có thể giúp bắt chước sự sống trong các vật liệu không sống, chẳng hạn như robot. Quy trình mới dựa vào nhiên liệu để kiểm soát các vật liệu không sống theo cách tương tự như những gì các tế bào sống làm. 

Nhóm nghiên cứu cho biết chu trình phản ứng có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu. Tốc độ của nó cũng có thể được kiểm soát, mở ra nhiều cơ hội trong lĩnh vực mới nổi này. Sự phát triển mới cũng có thể đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp rô-bốt mềm trong tương lai, với những cỗ máy mềm sẽ cảm nhận được môi trường của chúng và phản ứng một cách thích hợp. 

Phát hiện của nhóm đã được công bố trong Nature Communications. 

Bắt chước phản ứng hóa học trong tế bào sống

Nhà hóa học Rienk Eelkema và nhóm của ông nghiên cứu mô phỏng các phản ứng hóa học trong tế bào sống, cung cấp nhiên liệu cần thiết để kiểm soát tế bào. Những phản ứng này thúc đẩy các vật chất không sống theo cùng một cách, nhưng chúng bị hạn chế. 

“Cho đến nay, chỉ có khoảng năm loại phản ứng được các nhà nghiên cứu sử dụng rộng rãi,” Eelkema nói. “Những phản ứng đó có hai nhược điểm lớn: tốc độ của chúng rất khó kiểm soát và chúng chỉ hoạt động trên một nhóm phân tử cụ thể.” 

Cùng với Benjamin Klemm, tác giả chính của nghiên cứu, cặp đôi này đã phát hiện ra một loại phản ứng mới có tốc độ có thể được kiểm soát một cách hiệu quả. Phản ứng này hoạt động trên nhiều loại vật liệu. 

“Bản chất của chu trình phản ứng là nó có thể chuyển đổi giữa hạt không tích điện và hạt tích điện bằng cách thêm nhiên liệu hóa học vào nó,” Eelkema tiếp tục. “Điều này cho phép chúng tôi thay đổi vật liệu và do đó sửa đổi cấu trúc của những vật liệu đó, bởi vì các điện tích bằng nhau thì đẩy nhau và các điện tích khác nhau thì hút nhau. Loại và lượng nhiên liệu quyết định tốc độ phản ứng, và do đó thời gian tích điện và do đó tồn tại một cấu trúc nhất định.” 

Một trong những điều mà nhóm nghiên cứu đã làm là sử dụng chu kỳ phản ứng của họ để tích điện hydrogel, dẫn đến các điện tích đẩy nhau và gel sưng lên. 

Vai trò trong việc xây dựng Robot mềm

Các nhà nghiên cứu nói rằng chu trình phản ứng hóa học có thể đóng một vai trò trong việc chế tạo robot mềm. 

“Robot mềm đã tồn tại, ví dụ như các vi hạt được điều khiển bên ngoài thông qua từ trường hoặc điện trường. Nhưng cuối cùng, bạn muốn một robot có thể tự kiểm soát: tự nhìn thấy nó đang ở đâu và điều gì đang xảy ra rồi phản ứng tương ứng,” Eelkema nói. “Bạn có thể lập trình trước chu kỳ của chúng tôi thành một hạt, sau đó để yên cho nó và nó sẽ thực hiện chức năng của mình một cách độc lập ngay khi gặp tín hiệu để làm như vậy.” 

Giờ đây, Eelkema sẽ tìm cách thêm xử lý tín hiệu vào quy trình, quy trình này sẽ liên kết nó với môi trường. 

Ông nói: “Ví dụ, một hạt polyme có thể chứa một số thành phần của một chu trình như vậy. “Khi nó gặp phần cuối cùng của phản ứng, chu trình đã hoàn thành, chẳng hạn như một tín hiệu để phân hủy hoặc sưng lên.”

Các tế bào ở người và các sinh vật khác dựa vào năng lượng để hoạt động. 

“Đó cũng là lý do tại sao con người chúng ta cần phải ăn,” Eelkema giải thích. “Sự liên kết giữa năng lượng với chức năng diễn ra thông qua các phản ứng hóa học và là thứ định nghĩa các sinh vật sống. Nó cho phép các tế bào kiểm soát khi nào và ở đâu các cấu trúc được hình thành hoặc các quá trình diễn ra, cục bộ và trong một thời gian giới hạn.” 

Mặt khác, vật chất không sống có thể hoạt động mà không cần nguồn cung cấp năng lượng và tồn tại mãi mãi. Mãi cho đến mười năm trước, các quá trình tồn tại có thể sử dụng nhiên liệu hóa học để thúc đẩy tương tác trong các vật liệu không sống. 

Eelkema kết luận: “Chúng tôi đã giới thiệu điều đó tại Delft, cùng với một vài nơi khác, và kể từ đó lĩnh vực này đã bùng nổ.