研究人员发现模拟非生物材料中生命过程的新方法

代尔夫特理工大学的研究人员团队发现了一种新过程，可以帮助模拟非生物材料（如机器人）中的生命过程。这种新过程依赖于燃料来控制非生物材料，就像活细胞一样。

该团队表示，反应循环可以应用于广泛的材料，其速率也可以被控制，这为这一新兴领域带来了许多机会。这种新发展也可能在未来软机器人领域发挥重要作用，软机器可以感知环境并做出相应的反应。

该团队的研究结果发表在 Nature Communications 上。

模拟活细胞中的化学反应

化学家 Rienk Eelkema 和他的团队致力于模拟活细胞中的化学反应，这些反应为细胞提供了控制的燃料。这些反应以相同的方式驱动非生物材料，但它们是有限的。

“到目前为止，研究人员只使用了大约五种反应，” Eelkema 说。“这些反应有两个主要缺点：它们的速率难以控制，并且只适用于特定的分子集。”

与研究的首席作者 Benjamin Klemm 一起，两人发现了一种新的反应，其速率可以被有效地控制。这种反应适用于广泛的材料。

“反应循环的本质在于，它可以通过添加化学燃料来在带电和不带电的粒子之间切换，” Eelkema 继续说。“这使我们能够改变材料并因此修改材料的结构，因为相同的电荷相互排斥，相反的电荷相互吸引。燃料的类型和数量决定了反应速率，因此决定了电荷和给定结构的存在时间。”

该团队所做的另一件事是使用他们的反应循环来给水凝胶充电，结果是电荷相互排斥，凝胶膨胀。

在构建软机器人中的作用

研究人员表示，化学反应循环可以在构建软机器人中发挥作用。

“软机器人已经存在，例如通过磁场或电场外部控制的微粒。但最终，你希望机器人能够自我控制：看到它在哪里以及发生了什么，然后做出相应的反应，” Eelkema 说。“你可以提前将我们的循环编程到粒子中，然后将其留下，让它独立地执行其功能，一旦它遇到信号就可以这样做。”

Eelkema 现在将致力于将信号处理添加到该过程中，这将使其与环境相连。

“例如，聚合物粒子可以包含循环的某些组成部分，”他说。“当它遇到反应的最后部分时，循环就完成了，作为一个信号来分解或膨胀，例如。”

人类和其他生物体的细胞依赖于能量来运作。

“这也是我们人类需要吃饭的原因，” Eelkema 解释说。“能量与功能的链接是通过化学反应发生的，这是定义生物体的东西。它使细胞能够控制何时和在哪里形成结构或发生过程，局部地和在有限的时间内。”

另一方面，非生物材料可以在没有能量供应的情况下运作并永远存在。直到十年前，才存在可以使用化学燃料来驱动非生物材料中的相互作用的过程。

“我们在代尔夫特引入了这一过程，另外几个地方也这样做了，自那时以来这一领域就迅速发展了，” Eelkema 总结说。