Tutkijat loivat materiaalille magneettisen muistin – inspiraatio eläimillä esiintyvästä magneettiaistista, joka auttaa niitä suunnistamisessa

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden materiaalin, jonka sähkönjohtavuus säätyy sen aiemmin kohtaamien olosuhteiden pohjalta. Käytännössä tutkijat onnistuivat antamaan materiaalilleen perusmuodon mukautuvasta muistista.

Tulokset julkaistiin äskettäin arvostetussa Science Advances -lehdessä.

Perinteiset materiaalit reagoivat ulkoisiin ärsykkeisiin aina samalla tavalla. Tämä eroaa olennaisesti elävistä järjestelmistä, jotka mukauttavat käyttäytymistään kokemustensa perusteella.

”Yksi materiaalitieteen seuraavista suurista haasteista on kehittää todella älykkäitä materiaaleja. Tässä elävät organismit toimivat malleina ja inspiraation lähteinä, vaikkakin mekanismit ja sovellukset voivat olla hyvin erilaisia. Halusimme kehittää mukautuvan materiaalin, joka siis säätelisi käyttäytymistään kokemustensa perusteella”, sanoo Aalto-yliopiston akatemiatutkija Bo Peng.

Luontoa imitoivat, kokemuksista oppivat materiaalit avaisivat ovet muun muassa niin kutsutun pehmeän robotiikan kehittämiselle. Tällaisia ympäristöön sopeutuvia miniatyyrikokoisia, kauko-ohjattavia robotteja voitaisiin käyttää esimerkiksi lääkeaineiden kuljettamiseen kehon sisällä.

Muisti magneettikentästä

Linnuilla ja joillakin muilla eläimillä on erityinen kyky aistia Maan magneettikenttää ja suunnistaa sen avulla. Tämä kyky perustuu niiden kehoissa olevien magneettihiukkasten rakenteisiin. Aalto-yliopiston tutkijat saivat siitä inspiraation uudelle materiaalilleen.

Tutkijat valmistivat mikrometrin kokoisia magneettipartikkeleja, joiden järjestyminen riippui niihin kohdistetusta magneettikentästä. Kun magneettikenttä oli päällä, hiukkaset pinoutuivat sähköä johtaviksi pylväiksi. Magneettikentän voimakkuus vaikutti pilareiden muotoon, mikä puolestaan ​​vaikutti siihen, kuinka hyvin ne johtavat sähköä.

"Tällä järjestelmällä yhdistämme magneettikentän ärsykkeen ja sähköisen vasteen. Yllättäen havaitsimme, että sähkönjohtavuus riippuu siitä, onko magneettikentän voimakkuutta muutettu nopeasti vai hitaasti, koska pylväiden muoto on erilainen näissä tapauksissa. Sähkövaste perustuu siis magneettikentän historiaan. Materiaali käyttäytyy ikään kuin sillä olisi muisti magneettikentästä", Peng selittää.

Pitkällä tähtäimelle tutkijat toivovat, että uusi materiaali mahdollistaa magneettikentässä suunnistavien robottien rakentamisen.

Alkeellista oppimista

Järjestelmän muisti mahdollistaa toiminnan, joka muistuttaa alkeellista oppimista. Elävien organismien oppiminen on äärimmäisen monimutkainen prosessi, jonka peruselementti on muutos hermosolujen välisten yhteyksien eli synapsien vasteessa. Riippuen siitä, kuinka usein niitä stimuloidaan, hermosolujen synapsien välinen yhteys vahvistuu tai heikentyy sen mukaan, mitä sen lähihistoriassa on tapahtunut.

Tutkijat onnistuivat saavuttamaan analogisen käyttäytymisen magneettihiukkasillaan. Kun hiukkaset altistettiin tiheille magneettikentän pulsseille, materiaalin sähkönjohtavuus parani. Hitaammat pulssit heikensivät sen sähkönjohtavuutta.

"Materiaalimme toimii vähän kuin hermosynapsi, joskin eri periaatteella. Tutkimuksemme tasoittaa tietä seuraavan sukupolven ulkoisiin ärsykkeisiin reagoiville materiaaleille, jotka käyttäytyvät näennäisesti samoin kuin biologiset sopeutumis-, muisti- ja oppimisprosessit", professori Olli Ikkala sanoo.

Alkuperäinen tutkimusartikkeli: Magnetic field–driven particle assembly and jamming for bistable memory and response plasticity, Xianhu Liu, Hongwei Tan, Carlo Rigoni, Teemu Hartikainen, Nazish Asghar, Sebastiaan van Dijken, Jaakko V. I. Timonen, Bo Peng, Olli Ikkala