Các nhà nghiên cứu phát hiện quy trình mới để mô phỏng sự sống trong vật liệu không sống

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Delft đã phát hiện ra một quy trình mới có thể giúp mô phỏng sự sống trong vật liệu không sống, chẳng hạn như robot. Quy trình mới này dựa trên nhiên liệu để kiểm soát vật liệu không sống theo cách tương tự như các tế bào sống.

Đội nghiên cứu cho biết chu kỳ 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 này. Phát triển mới này cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực robot mềm trong tương lai, với máy móc mềm cảm nhận môi trường và phản ứng phù hợp.

Các phát hiện của đội đã được công bố trên Nature Communications.

Mô phỏng các phản ứng hóa học trong tế bào sống

Hóa học Rienk Eelkema và đội của ông làm việc về việc 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 vật liệu không sống theo cách tương tự, nhưng chúng bị giới hạn.

“Cho đến nay, chỉ có khoảng năm loại phản ứng được sử dụng rộng rãi bởi các nhà nghiên cứu,” Eelkema nói. “Những phản ứng có hai hạn chế chính: tốc độ của chúng khó kiểm soát và chúng chỉ hoạt động trên một tập hợp cụ thể của phân tử.”

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

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

Một trong những điều mà đội đã làm là sử dụng chu kỳ phản ứng của họ để tích điện cho một hydrogel, kết quả là các điện tích đẩy nhau và gel sưng lên.

Vai trò trong việc xây dựng robot mềm

Các nhà nghiên cứu cho biết chu kỳ phản ứng hóa học có thể đóng vai trò trong việc xây dựng robot mềm.

“Robot mềm đã tồn tại, ví dụ như các hạt micromet được kiểm soát từ bên ngoài thông qua các trường từ tính hoặc điện. Nhưng cuối cùng bạn sẽ muốn một robot có thể tự kiểm soát mình: để xem cho chính nó nơi nó ở và những gì đang xảy ra và sau đó phản ứng phù hợp,” Eelkema nói. “Bạn có thể lập trình chu kỳ của chúng tôi vào một hạt trước, sau đó để nó một mình, và nó thực hiện chức năng của mình độc lập khi nó gặp một tín hiệu để làm như vậy.”

Eelkema sẽ tiếp tục thêm xử lý tín hiệu vào quy trình, điều này sẽ liên kết nó với môi trường.

“Ví dụ, một hạt polymer có thể chứa một số thành phần của một chu kỳ như vậy,” ông nói. “Khi nó gặp phần cuối cùng của phản ứng, chu kỳ được hoàn thành, hoạt động như một tín hiệu để phân hủy hoặc sưng lên, ví dụ.”

Các tế bào trong con người và các sinh vật khác phụ thuộc vào năng lượng để hoạt động.

“Đó cũng là lý do tại sao chúng ta cần ăn,” Eelkema giải thích. “Liên kết năng lượng với chức năng xảy ra thông qua các phản ứng hóa học và đó là điều xác định các sinh vật sống. Nó cho phép các tế bào kiểm soát khi và nơi các cấu trúc được hình thành hoặc các quá trình xảy ra, cục bộ và trong một thời gian giới hạn.”

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

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