Forskare har länge försökt uppfinna material som kan svara på omvärlden i förutsägbara, självreglerande sätt. Nu, ny forskning utförd vid University of Massachusetts Amherst och förekommer i Proceedings of the National Academy of Sciences tar oss ett steg närmare det målet. För deras inspiration, forskarna såg till naturen.

Lampröjor simmar, hästar som går, och insekter som flyger:vart och ett av dessa beteenden möjliggörs av ett nätverk av oscillatorer - mekanismer som producerar en repetitiv rörelse, som att vrida en svans, ta ett kliv, eller flaxa med en vinge. Vad mer, dessa naturliga oscillatorer kan reagera på sin miljö på förutsägbara sätt. Som svar på olika signaler, de kan snabbt ändra hastighet, växla mellan olika lägen, eller sluta förändras helt. "Frågan, " säger Hyunki Kim, tidningens huvudförfattare, tillsammans med Boston Universitys Subramanian Sundaram, en nyligen mottagare av en doktorsexamen i polymervetenskap och teknik från UMass Amherst, "är kan vi göra mjuka material, som plast, polymerer, och nanokompositstrukturer, som kan svara på samma sätt?" Svaret, som teamet dokumenterar, är ett definitivt ja.

En av de viktigaste svårigheterna som teamet löste var att få en serie oscillatorer att arbeta unisont med varandra, en förutsättning för samordnad, förutsägbar rörelse. "Vi har utvecklat en ny plattform där vi med anmärkningsvärd precision kan styra kopplingen av oscillatorer, " säger Ryan Hayward, James och Catherine Patten är professor i kemi- och biologisk teknik vid University of Colorado Boulder, och en av tidningens medförfattare. Den plattformen förlitar sig på ännu en naturkraft, känd som Marangoni-effekten, vilket är ett fenomen som beskriver rörelsen av fasta ämnen längs gränsytan mellan två vätskor som drivs av förändringar i ytspänning. En klassiker, Verkliga exempel på Marangoni-effekten inträffar varje gång du diskar. När du sprutar diskmedel i en kastrull fylld med vatten vars yta är jämnt spridda smulorna från din middag, du kan se när smulorna flyr till kanterna av pannan när tvålen träffar vattnet. Detta beror på att tvålen förändrar vattnets ytspänning, och smulorna dras bort från områden med låga, tvålaktig ytspänning, mot kastrullens kanter där ytspänningen förblir hög.

"Allt handlar om att förstå gränssnittens roll och den djupgående effekten av att kombinera polymera och metalliska material till kompositstrukturer, " säger Todd Emrick, medförfattare och professor i polymervetenskap och teknik vid UMass. Istället för tvålvatten och kokkärl, teamet använde hydrogel nanokompositskivor gjorda av polymergeler och nanopartiklar av guld, som var känsliga för förändringar i ljus och temperatur. Resultatet var att teamet kunde konstruera en mångfald av oscillatorer som kunde röra sig unisont med varandra och reagera förutsägbart på förändringar i ljus och temperatur. "Vi kan nu konstruera komplext kopplat beteende som svarar på yttre stimuli, säger Kim.