Разрабатывается материал, имитирующий нервную ткань
«Исследование закладывает основы для создания материала будущего — мягкого активного вещества с отличным распределением по поверхности и интегрированной восприимчивостью, быстро активирующегося, поддающегося вычислению и контролю», — сказал менеджер программы комплексных и динамических систем дирекции инженерных наук при Научно-исследовательском управлении Сухопутных войск (Army Research Office — ARO) армии США доктор Сэмюэль Стэнтон (Дарем, Северная Каролина). ARO финансирует инициативные исследования, чтобы поддержать прогрессивные технологические открытия в заочных и очных учебных заведениях, некоммерческих организациях и лабораториях частной промышленности, которые могут сделать будущее американских солдат безопаснее.
Заимствовано у угря: Новый материал может открыть неведомые ранее перспективы в автономной мягкой робототехнике, в производстве двухканальных сенсоров и приводов для мягких экзоскелетов, а также в создании искусственного кожного покрова.
Исследовательская группа, возглавляемая профессором физики Университета Брандейса доктором Сетом Фраденом была вдохновлена гипнотическими волнообразными движениями плавающего голубого угря. Ученые задались вопросом, почему существует такой огромный разрыв между тем, как движутся естественные и искусственные системы, почему в последних отсутствует скоординированность и плавность движений. «Наши научные интересы лежат на пересечении физики, химии, биологии и материаловедения», - сказал Фраден. «Наша лаборатория уже является междисциплинарной, но кроме того мы участвуем в нескольких совместных проектах с другими исследователями ».
Работа Фрадена пыталась ответить на ключевые вопросы, например, почему остается такая бездна между одушевленным и неодушевленным, почему человечество никогда даже не пыталось смешивать их, и, наконец, если бы инженеры могли создавать материалы с некоторыми свойствами тканей живых организмов, но построенные из неодушевленных объектов, то можно ли было бы это сделать используя только химические реактивы и другие химические вещества, без использования двигателей и электроники?
Подробно изучая тип движения угря, Фрэден заметил, как одна из нейронных сетей угря, называемая центральным генератором шаблонов (паттернов), создает волны химических импульсов, которые распространяются вдоль позвоночника рыбы, чтобы запустить ритмичные сокращения мышц для плавания.
Команда Фрадена для решения проблемы разработки материала, имитирующего генератор, сначала построила контрольное устройство, производящее похожие не те, которые наблюдали биологи схемы активации нервной системы. Так они создали систему управления, которая работает на химической энергии, как это делается в биологии, не прибегая к помощи компьютерных или электромеханических устройств, являющихся атрибутами искусственной, сугубо роботизированной технологии.
Переломный момент в работе наступил тогда, когда Фрэден и его команда поняли, что динамика центрального генератора паттернов может использоваться на небиологической платформе, если применить осциллирующий химический процесс, известный как реакция Белоусова-Жаботинского. Лаборатория разработала современные технологии изготовления искусственных химических сетей для создания химических материалов в наномасштабе, которые могли бы производить самые разнообразные образцы. Полученные ими устойчивые химические сети создавали распределенные динамические модели, идентичные центральному генератору шаблонов угря.
Фраден отметил, что «инженерные принципы, которые они определили, являются общими и могут применяться для разработки целого ряда других центральных генераторов шаблонов, ответственных за другие автономные функции, такие как походка лошади, например: спокойным шагом, рысью, галопом, легким галопом».
Исследование представлено в качестве сопроводительной статьи в британском журнале «Lab on a Chip» (номер от 7-го марта 2018), который является рецензируемым научным изданием, публикующим первичные исследования и обзорные статьи по любому аспекту миниатюризации в микро и нано масштабах. Эта работа признана наиболее читаемой статьей журнала.
В качестве следующего шага команда берет на себя задачу использования информации, закодированной в динамических шаблонах из химических сетей, для создания целевого механического ответа в новом химико-механическом геле. Это могло бы помочь перейти от исследования искусственного материала, имитирующего нервную ткань, к его созданию.
