Een op het leven geïnspireerd systeem dat zich dynamisch aanpast aan zijn omgeving

Onderzoekers hebben een synthetisch systeem ontwikkeld dat op dezelfde manier reageert op veranderingen in de omgeving als levende organismen, door een feedbacklus te gebruiken om de interne omstandigheden in stand te houden. Dit houdt niet alleen de omstandigheden van het materiaal stabiel, maar maakt het ook mogelijk om mechanismen te bouwen die dynamisch reageren op hun omgeving, een belangrijke eigenschap voor interactieve materialen en zachte robotica.

Levende systemen, van individuele cellen tot organismen, gebruiken feedbacksystemen om hun conditie in stand te houden. We zweten bijvoorbeeld om af te koelen als we het te warm hebben, en verschillende systemen werken om onze bloeddruk en chemie binnen het juiste bereik te houden. Deze homeostatische systemen maken levende organismen robuust door ze in staat te stellen om te gaan met veranderingen in hun omgeving. Hoewel feedback belangrijk is in sommige kunstmatige systemen, zoals thermostaten, hebben ze niet het dynamische aanpassingsvermogen of de robuustheid van homeostatische levende systemen.

Nu hebben onderzoekers van Aalto University en Tampere University een materiaalsysteem ontwikkeld dat zijn staat behoudt op een manier die vergelijkbaar is met die van levende systemen. Het nieuwe systeem bestaat uit twee side-by-side gels met verschillende eigenschappen. Interacties tussen de gels zorgen ervoor dat het systeem homeostatisch reageert op veranderingen in de omgeving, waardoor de temperatuur binnen een smal bereik blijft wanneer het wordt gestimuleerd door een laser.

“De weefsels van levende organismen zijn meestal zacht, elastisch en vervormbaar”, zegt Hang Zhang, een postdoctoraal onderzoeker aan de Academie van Finland bij Aalto, die een van de hoofdauteurs van het onderzoek was. “De gels die in ons systeem worden gebruikt, zijn vergelijkbaar. Het zijn zachte polymeren die zijn opgezwollen in water en ze kunnen een fascinerende verscheidenheid aan reacties op omgevingsstimuli bieden.”

De laser schijnt door de eerste gel en stuitert vervolgens van een spiegel op de tweede gel, waar hij gesuspendeerde gouden nanodeeltjes verwarmt. De warmte gaat door de tweede gel naar de eerste, waardoor de temperatuur stijgt. De eerste gel is pas transparant als deze onder een bepaalde temperatuur is; zodra het warmer wordt, wordt het ondoorzichtig.

Deze verandering voorkomt dat de laser de spiegel bereikt en de tweede gel verwarmt. De twee gels koelen vervolgens af totdat de eerste weer transparant wordt, waarna de laser er doorheen gaat en het verwarmingsproces opnieuw begint.

Met andere woorden, de opstelling van de laser, gels en spiegel creëert een feedbacklus die de gels op een specifieke temperatuur houdt. Bij hogere temperaturen wordt de laser geblokkeerd en kan de gouden nanodeeltjes niet opwarmen; bij lagere temperaturen wordt de eerste gel transparant, waardoor de laser doorschijnt en de gouddeeltjes verwarmt.

“Net als een levend systeem is ons homeostatisch systeem dynamisch. De temperatuur schommelt rond de drempel, maar het bereik van de oscillatie is vrij klein en is robuust voor verstoringen van buitenaf. Het is een robuust homeostatisch systeem”, zegt Hao Zeng, een Academie van Finland research fellow aan de Universiteit van Tampere, die de andere hoofdauteur van de studie was.

De onderzoekers bouwden vervolgens op aanraking reagerende triggers bovenop het feedbacksysteem. Om dit te bereiken, voegden ze mechanische componenten toe die reageren op veranderingen in temperatuur. Door het gelsysteem op de juiste manier aan te raken, wordt het uit zijn stabiele toestand geduwd en de resulterende temperatuurverandering zorgt ervoor dat het mechanische onderdeel vervormt. Daarna keert alles terug naar de oorspronkelijke staat.

Het team ontwierp twee systemen die reageren op verschillende soorten aanraking. In één geval triggert een enkele aanraking de reactie, net zoals een touch-me-not-mimosaplant zijn bladeren vouwt wanneer hij wordt geaaid. De tweede opstelling reageert alleen op herhaalde aanrakingen, net zoals een vliegenval van Venus twee keer in 30 seconden moet worden aangeraakt om hem dicht te laten klikken.

“We kunnen een snapgedrag activeren met mechanische aanrakingen met geschikte tussenpozen, net als een Flytrap van Venus. Ons kunstmatige materiaalsysteem kan onderscheid maken tussen laagfrequente en hoogfrequente aanrakingen”, legt professor Arri Priimägi van de Universiteit van Tampere uit.

De onderzoekers lieten ook zien hoe het homeostatische systeem een ​​dynamisch kleurenscherm kon besturen of zelfs vracht langs zijn lichaam kon duwen. Ze benadrukken dat deze demonstraties slechts een handvol laten zien van de mogelijkheden die het nieuwe materiaalconcept biedt.

“Op het leven geïnspireerde materialen bieden een nieuw paradigma voor dynamische en adaptieve materialen die onderzoekers waarschijnlijk nog jaren zullen aantrekken”, zegt professor Olli Ikkala van de Aalto University. “Zorgvuldig ontworpen systemen die een deel van het basisgedrag van levende systemen nabootsen, zullen de weg vrijmaken voor echt slimme materialen en interactieve zachte robotica.”

Dit onderzoek is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.