Các nhà nghiên cứu mở đường cho vật liệu lấy cảm hứng từ sự sống thế hệ tiếp theo

Một vật liệu mới lấy cảm hứng từ các hệ thống sống thay đổi hành vi điện của nó dựa trên kinh nghiệm trước đó. Được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Aalto, nó đã đạt được một hình thức cơ bản của bộ nhớ thích nghi. 

Các vật liệu thích nghi như vậy có thể đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các cảm biến y tế và môi trường thế hệ tiếp theo, cũng như trong các robot mềm và bề mặt hoạt động.

Vật liệu phản ứng trong các hệ thống sống

Vật liệu phản ứng có thể được tìm thấy trên nhiều ứng dụng, chẳng hạn như kính râm tối trong ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, các vật liệu hiện có luôn phản ứng theo cùng một cách, và phản ứng của chúng với sự thay đổi là độc lập với lịch sử của chúng. Điều này có nghĩa là chúng không thích nghi dựa trên kinh nghiệm trong quá khứ của chúng. 

Mặt khác, các hệ thống sống thích nghi hành vi của chúng dựa trên các điều kiện trước đó. 

Bo Peng là một thành viên nghiên cứu của Học viện tại Đại học Aalto và là một trong những tác giả cao cấp của nghiên cứu. 

“Một trong những thách thức lớn tiếp theo trong khoa học vật liệu là phát triển các vật liệu thông minh thực sự lấy cảm hứng từ các sinh vật sống,” Peng nói. “Chúng tôi muốn phát triển một vật liệu sẽ điều chỉnh hành vi của nó dựa trên lịch sử của nó.” 

Đạt được bộ nhớ thích nghi trong vật liệu

Đội ngũ nghiên cứu đầu tiên tổng hợp các hạt từ tính có kích thước micromet trước khi kích thích chúng bằng trường từ tính. Các hạt xếp chồng lên nhau để tạo thành các cột trụ mỗi khi nam châm được bật, và cường độ của trường từ tính ảnh hưởng đến hình dạng của các cột trụ. Các hình dạng này ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của các cột trụ. 

“Với hệ thống này, chúng tôi kết hợp kích thích trường từ tính và phản ứng điện. Điều thú vị là chúng tôi phát hiện ra rằng độ dẫn điện phụ thuộc vào việc chúng tôi thay đổi trường từ tính nhanh hay chậm,” Peng giải thích. “Điều đó có nghĩa là phản ứng điện phụ thuộc vào lịch sử của trường từ tính. Hành vi điện cũng khác nếu trường từ tính tăng hoặc giảm. Phản ứng cho thấy sự ổn định hai trạng thái, đây là một hình thức cơ bản của bộ nhớ. Vật liệu hành xử như thể nó có bộ nhớ về trường từ tính.”

Bộ nhớ của hệ thống cho phép nó hành xử theo cách tương tự như quá trình học tập cơ bản. Trong quá trình học tập ở các sinh vật sống, yếu tố cơ bản trong động vật là sự thay đổi trong phản ứng của các kết nối giữa các nơ-ron. Điều này được gọi là synap, và tùy thuộc vào tần suất chúng được kích thích, các synap trong nơ-ron trở nên cứng hơn hoặc dễ kích hoạt hơn. Sự thay đổi này được gọi là độ dẻo tổng hợp synap ngắn hạn, và nó làm cho kết nối giữa một cặp nơ-ron mạnh hơn hoặc yếu hơn tùy thuộc vào lịch sử của chúng. 

Đội ngũ nghiên cứu đã đạt được một hệ thống tương tự với các hạt từ tính, nhưng cơ chế là khác nhau. Khi các hạt được暴露 với trường từ tính xung nhanh, vật liệu có thể dẫn điện tốt hơn. Nhưng nếu chúng được暴露 với xung từ tính chậm, chúng dẫn điện kém. 

Olli Ikkala là một giáo sư danh dự tại Aalto. 

“Vật liệu của chúng tôi hoạt động một chút như một synap,” Ikkala nói. “Những gì chúng tôi đã chứng minh mở đường cho thế hệ vật liệu lấy cảm hứng từ sự sống tiếp theo, sẽ dựa trên các quá trình thích nghi, bộ nhớ và học tập của sinh học.”

“Trong tương lai, có thể có nhiều vật liệu hơn được lấy cảm hứng từ các tính chất giống như sự sống, mặc dù chúng sẽ không liên quan đến sự phức tạp đầy đủ của các hệ thống sinh học. Các vật liệu như vậy sẽ là trung tâm của thế hệ robot mềm tiếp theo và cho việc giám sát y tế và môi trường,” Ikkala kết luận.