Het genie van evolutie wordt zelden in actie gezien, dus de onzichtbare hand die de richting van biologische systemen stuurt, wordt vaak als vanzelfsprekend beschouwd. Echter, door de principes van natuurlijke selectie toe te passen op onderzoeksvragen en robots te ontwerpen om deze taken uit te voeren, wetenschappers creëren 's werelds eerste evolutionaire machines.

Het klinkt als iets uit sciencefiction, maar er zijn onmiddellijke praktische voordelen verbonden aan deze toekomstgerichte benadering. Het ontwerpen van alles, van geneesmiddelen tot mobiele telefoons, vereist talloze uren van vallen en opstaan ​​in een laboratorium, experimenteren met combinaties van nieuwe materialen, vervolgens moeizaam testen en optimaliseren. Gelukkig, misschien komt er hulp in de vorm van een computergestuurd robotsysteem dat de principes van evolutie toepast op het proces van materiaalontdekking.

"Het is eerst evolutie, " zegt Dr. Lee Cronin, een chemicus aan de Universiteit van Glasgow, VK. "Evolutie creëerde biologie, niet andersom." Het leidde tot de verbazingwekkende complexiteit van de biologische wereld en Cronin gelooft dat het ook de perfecte oplossing is voor de materiaalwetenschap.

"We hadden een proces nodig om fysieke entiteiten te genereren, zet ze in een omgeving en kijk of ze leven of sterven, " legt hij uit. Hiervoor, Cronin en collega's in het EU-project EVOBLISS ontwierpen een modulaire robot die oliedruppels op een petrischaal zou mengen en verplaatsen. Het gedrag van de druppel werd geregistreerd, samen met de startvoorwaarden die het hebben gecreëerd.

Op deze manier, ze konden druppeltjes met bepaalde materiële kenmerken screenen en selecteren:als ze zich op de gewenste manier gedroegen, 'leefden' ze en de omstandigheden om het te creëren overleefden. Als ze dat niet deden, stierven ze en werden ze weggegooid.

Dit type evolutionair zoeken bespaart veel tijd en kosten omdat de robot duizenden proeven zonder onderbreking uitvoert. Voor Cronin echter, het echte voordeel van de aanpak gaat verder dan screening. "Evolutie doet zoveel meer, het genereert nieuwigheid om problemen op te lossen die u nooit voor mogelijk had gehouden, "zegt hij. Met de robot kunnen ze het onverwachte verkennen, wat betekent dat wanneer een druppel zich op een nieuwe manier gedraagt, de voorwaarden kunnen worden opgeslagen en verder geoptimaliseerd.

Het concept van het gebruik van door evolutie aangedreven computers blijkt ongelooflijk effectief te zijn voor het omgaan met complexe systemen. Alfonso Jaramillo, Hoogleraar synthetische biologie aan de Universiteit van Warwick, VK, een vergelijkbare aanpak ontwikkeld om complexe biologische problemen op te lossen, zoals het bestrijden van antimicrobiële resistentie. In zijn evolutionaire computer, echte bacteriën worden veranderd om te voorkomen dat ze worden geïnfecteerd door bacteriofagen. Wanneer een faag het probleem van het verslaan van de afweer van de bacterie 'oplost', overleeft hij. Er vinden tijdens dit proces onberekenbare hoeveelheden moleculaire interacties plaats, maar, volgens Jaramillo, "wanneer evolutie plaatsvindt, weet je de uitkomst van de reactie al." De berekening wordt gedaan binnen het virus zelf en de gegevens die zijn opgeslagen in het genoom ervan.

Terug in het materialenlab is de situatie hetzelfde. De berekeningen worden niet op een computer uitgevoerd; ze worden fysiek in de robot gedaan. Cronin zegt dat gegevens die zijn opgeslagen op een siliciumchip slechts een weergave zijn van de werkelijkheid. "We gebruiken ons systeem om de werkelijkheid te optimaliseren."

Blair Brettman, assistent-professor aan de Georgia Tech School of Material Science and Engineering, ONS, werkte eerder in de industrie en deed veel van de experimenten die EVOBLISS nu belooft te automatiseren. Ze is optimistisch over het vermogen van de technologie om menselijke arbeid te verminderen en te onderzoeken hoe complexe materialen zich zullen gedragen. "De meeste commerciële materialen zijn mengsels van veel verschillende dingen en het is erg moeilijk om te voorspellen hoe de combinaties zullen reageren."

Echter, Brettman ziet wel wat uitdagingen. "Het meest beperkend is wat je moet karakteriseren of leren over het monster, ' zegt ze. 'Als je alleen maar wilt kijken hoe goed een vloeistof bevochtigt, dan is dat relatief eenvoudig. Maar als je wilt zien hoe een vloeistof een vaste stof binnendringt, zal dat veel moeilijker te analyseren zijn." Hoe complexer het materiaal is om te manipuleren en de variabelen te meten, hoe moeilijker opschaling zal zijn.

Dit is een van de redenen waarom de onderzoekers begonnen met vloeibare materialen, maar conceptueel kan het worden geëxtrapoleerd naar elk materiaal. Tot dusver, platformen om specifiek drie materiaalklassen te optimaliseren zijn ontworpen:reinigingsvloeistoffen, gouden nanoclusters die chemische verontreinigingen detecteren, en nieuwe medicijnachtige organische moleculen.

Met deze nieuwe waardering voor evolutie als uitgangspunt, en niet het gevolg van biologie, evolutionaire machines lijken klaar om deze unieke natuurkracht te benutten. EVOBLISS wordt ondersteund door het EU Future and Emerging Technologies (FET) programma.