Amerikanska arméfinansierade forskare vid Brandeis University har upptäckt en process för att konstruera nästa generations mjuka material med inbäddade kemiska nätverk som efterliknar beteendet hos neural vävnad. Det banbrytande materialet kan leda till autonom mjuk robotik, dubbla sensorer och ställdon för mjuka exoskelett, eller konstgjorda skinn.

Forskningen lägger grunden för futuristisk mjuk aktiv materia med högt distribuerad och tätt integrerad avkänning, aktivering, beräkning och kontroll, sa Dr Samuel Stanton, chef för programmet för komplexa och dynamiska system inom direktoratet för ingenjörsvetenskap vid Army Research Office, en del av U.S. Army Research Laboratory, ligger vid Research Triangle Park i Durham, Norra Carolina.

ARO finansierar forskning för att initiera vetenskapliga och långtgående tekniska upptäckter i extramurala organisationer, läroanstalter, ideella organisationer och privat industri som kan göra framtida amerikanska soldater starkare och säkrare.

Forskargruppen, ledd av professor i fysik Dr. Seth Fraden vid Brandeis University, hämtade inspiration från den fascinerande slingrande rörelsen hos en simmande blåål och ett förbryllande stort gap mellan hur naturliga system rör sig och avsaknaden av sådana koordinerade och jämna rörelser i artificiella system.

Våra forskningsintressen ligger helt och hållet i skärningspunkten mellan fysik, kemi, biologi och materialvetenskap, " Sa Fraden. "Vårt labb är tvärvetenskapligt, men vi är också involverade i flera multiutredarprojekt."

Fradens arbete försökte svara på nyckelfrågor, till exempel varför finns det ett sådant tomrum mellan levande och livlösa att vi aldrig förväxlar de två, och om ingenjörer kunde skapa material med liknande egenskaper som levande organismer, men konstruerade av livlösa föremål, kan vi göra det med endast kemikalier och undvika användning av motorer och elektronik?

Tittar djupare, Fraden studerade hur en typ av neurala nätverk finns i ålen, heter Central Pattern Generator, producerar vågor av kemiska pulser som sprider sig ner i ålens ryggrad för att rytmiskt driva simmuskler.

Fradens labb närmade sig utmaningen att konstruera ett material som efterliknar generatorn genom att först konstruera en kontrollenhet som producerar samma neurala aktiveringsmönster som biologer har observerat. Där, de skapade ett kontrollsystem som körs på kemisk kraft, som man gör inom biologi, utan att använda någon dator eller elektromekanisk utrustning, som är kännetecknen för konstgjorda, hård robotteknik.

Ett genombrott gjordes när Fraden och hans team insåg att samma CPG-dynamik kunde fångas på en icke-biologisk plattform om de använde en välkänd oscillerande kemisk process som kallas Belousov-Zhabotinsky-reaktionen. Laboratoriet utvecklade toppmoderna tillverkningstekniker för mjuka materialteknik för konstgjorda kemiska nätverk i nanoskala som, sammanlagt, skulle kunna producera en mängd olika mönster. Deras resulterande robusta kemiska nät producerade distribuerade dynamiska mönster identiska med ålens Central Pattern Generator.

Fraden noterade att "de tekniska principer som de identifierade är generella och kan användas för att designa en hel rad andra centrala mönstergeneratorer, såsom de som ansvarar för andra autonoma funktioner, som en hästs gång, till exempel, promenad, galopp, trav och galopp. "

Forskningen visas som omslagsartikel till numret av den 7 mars av en brittisk tidskrift, Lab on a Chip , som är en peer-reviewed vetenskaplig tidskrift som publicerar primärforskning och översiktsartiklar om alla aspekter av miniatyrisering på mikro- och nanoskala. Verket fick utmärkelse som en av tidskriftens "heta artiklar" på grund av dess särskilt höga poäng i den vetenskapliga granskningen.

"Att möjliggöra ett genombrott i robotförstoring av högt tempo militär manöver och operationer kräver att man förstör uppfattningen om ett intelligent system som en styv flerkroppsplattform optimerad för långsam, noggrant planerad rörelse i stilren terräng, " sa Stanton. "Fundamental forskning behövs för att överföra smarta material från det nuvarande paradigmet av fasta egenskaper och mekanik med yttre och centraliserad kontroll till ett nytt paradigm av mjuka aktiva kompositer med oöverträffad dynamisk funktionalitet realiserad genom maximal substratinbäddning av tätt integrerade, decentraliserat, och högt distribuerad inre (materialbaserad) avkänning, aktivering, och kontroll."

Som ett nästa steg, Fradens labb kommer att anta utmaningen att överföra informationen kodad i de dynamiska mönstren från de kemiska nätverken för att skapa en riktad mekanisk respons i en ny kemo-mekanisk gel. Detta kan förvandla forskningen från artificiellt material som härmar neural vävnad till artificiell vävnad som nu härmar neuromuskulär vävnad.