Door het Amerikaanse leger gefinancierde onderzoekers van de Brandeis University hebben een proces ontdekt voor het ontwerpen van zachte materialen van de volgende generatie met ingebedde chemische netwerken die het gedrag van neuraal weefsel nabootsen. Het doorbraakmateriaal kan leiden tot autonome zachte robotica, dubbele sensoren en actuatoren voor zachte exoskeletten, of kunsthuiden.

Het onderzoek legt de basis voor futuristische zachte actieve materie met sterk gedistribueerde en nauw geïntegreerde detectie, bediening, berekening en controle, zei dr. Samuel Stanton, manager van het Complex and Dynamics Systems-programma binnen het directoraat Engineering Sciences van het Army Research Office, een onderdeel van het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger, gevestigd in Research Triangle Park in Durham, Noord Carolina.

ARO financiert onderzoek om wetenschappelijke en verregaande technologische ontdekkingen te initiëren in extramurale organisaties, onderwijsinstellingen, non-profitorganisaties en de particuliere industrie die toekomstige Amerikaanse soldaten sterker en veiliger kunnen maken.

Het onderzoeksteam, onder leiding van professor in de natuurkunde Dr. Seth Fraden van de Brandeis University, liet zich inspireren door de betoverende kronkelende beweging van een zwemmende blauwe paling en de raadselachtig grote kloof tussen hoe natuurlijke systemen bewegen en het ontbreken van dergelijke gecoördineerde en soepele bewegingen in kunstmatige systemen.

Onze onderzoeksinteresses liggen vierkant op het snijvlak van natuurkunde, scheikunde, biologie en materiaalkunde, " zei Fraden. "Ons lab is interdisciplinair, maar we zijn ook betrokken bij verschillende multi-onderzoekersprojecten."

Fradens werk trachtte belangrijke vragen te beantwoorden, zoals waarom is er zo'n leegte tussen het levende en het levenloze dat we de twee nooit verwarren, en als ingenieurs materialen zouden kunnen maken met vergelijkbare eigenschappen als levende organismen, maar opgebouwd uit levenloze objecten, kunnen we dit doen met alleen chemicaliën en het gebruik van motoren en elektronica vermijden?

Dieper kijken, Fraden onderzocht hoe een type neuraal netwerk in de paling, genaamd de Centrale Patroon Generator, produceert golven van chemische pulsen die zich langs de ruggengraat van de paling voortplanten om de zwemspieren ritmisch aan te drijven.

Het laboratorium van Fraden benaderde de uitdaging om een ​​materiaal te ontwerpen dat de generator nabootst door eerst een besturingsapparaat te bouwen dat dezelfde neurale activeringspatronen produceert die biologen hebben waargenomen. Daar, ze creëerden een controlesysteem dat werkt op chemische kracht, zoals in de biologie wordt gedaan, zonder toevlucht te nemen tot computers of elektromechanische apparaten, die de kenmerken zijn van door de mens gemaakt, harde robottechnologie.

Er werd een doorbraak bereikt toen Fraden en zijn team zich realiseerden dat dezelfde CPG-dynamiek kon worden vastgelegd op een niet-biologisch platform als ze een bekend oscillerend chemisch proces gebruikten dat bekend staat als de Belousov-Zhabotinsky-reactie. Het lab ontwikkelde state-of-the-art fabricagetechnieken voor de engineering van kunstmatige chemische netwerken van zachte materialen op nanoschaal die, allemaal samen, zou in staat zijn om een ​​grote verscheidenheid aan patronen te produceren. Hun resulterende robuuste chemische netwerken produceerden gedistribueerde dynamische patronen die identiek waren aan de centrale patroongenerator van de paling.

Fraden merkte op dat "de technische principes die ze identificeerden algemeen zijn en kunnen worden toegepast om een ​​hele reeks andere centrale patroongeneratoren te ontwerpen, zoals degenen die verantwoordelijk zijn voor andere autonome functies, zoals de gang van een paard, bijvoorbeeld, wandelen, galop, draf en galop."

Het onderzoek verschijnt als het omslagartikel van het nummer van 7 maart van een Brits tijdschrift, Lab op een chip , dat is een peer-reviewed wetenschappelijk tijdschrift dat primair onderzoek en overzichtsartikelen publiceert over elk aspect van miniaturisatie op micro- en nanoschaal. Het werk verdiende de onderscheiding als een van de 'hot artikelen' van het tijdschrift vanwege de bijzonder hoge scores die werden verdiend in het wetenschappelijke beoordelingsproces.

"Om een ​​doorbraak mogelijk te maken in robotachtige vergroting van militaire manoeuvres en operaties op hoog tempo, moet het idee van een intelligent systeem als een rigide platform met meerdere lichamen dat is geoptimaliseerd voor langzame, zorgvuldig geplande beweging in overzichtelijk terrein, Stanton zei. "Fundamenteel onderzoek is nodig om slimme materialen te transponeren van het huidige paradigma van vaste eigenschappen en mechanica met extrinsieke en gecentraliseerde controle naar een nieuw paradigma van zachte actieve composieten met ongekende dynamische functionaliteit gerealiseerd door maximale substraatinbedding van strak geïntegreerde, gedecentraliseerd, en sterk gedistribueerde intrinsieke (op materialen gebaseerde) detectie, bediening, en controle."

Als volgende stap, Het laboratorium van Fraden gaat de uitdaging aan om de informatie die is gecodeerd in de dynamische patronen van de chemische netwerken over te dragen om een ​​gerichte mechanische respons te creëren binnen een nieuwe chemo-mechanische gel. Dit zou het onderzoek kunnen overzetten van kunstmatig materiaal dat neuraal weefsel nabootst naar kunstmatig weefsel dat nu neuromusculair weefsel nabootst.