I ricercatori della Brandeis University, finanziati dall'esercito degli Stati Uniti, hanno scoperto un processo per la progettazione di materiali morbidi di nuova generazione con reti chimiche incorporate che imitano il comportamento del tessuto neurale. Il materiale rivoluzionario può portare a robotica morbida autonoma, doppi sensori e attuatori per esoscheletri morbidi, o pelli artificiali.

La ricerca pone le basi per una materia attiva morbida futuristica con un rilevamento altamente distribuito e strettamente integrato, attuazione, calcolo e controllo, ha detto il dottor Samuel Stanton, responsabile del Programma Sistemi Complessi e Dinamici presso la Direzione di Scienze dell'Ingegneria presso l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito americano, situato al Research Triangle Park a Durham, Carolina del Nord.

ARO finanzia la ricerca per avviare scoperte tecnologiche scientifiche e di vasta portata in organizzazioni extramurali, istituzioni educative, organizzazioni senza scopo di lucro e industria privata che potrebbero rendere i futuri soldati americani più forti e più sicuri.

Il gruppo di ricerca, guidato dal Professore di Fisica Dr. Seth Fraden della Brandeis University, ha tratto ispirazione dall'ipnotico movimento sinuoso di un'anguilla blu che nuota e dal divario sorprendentemente ampio tra il modo in cui si muovono i sistemi naturali e la mancanza di tale movimento coordinato e fluido nei sistemi artificiali.

I nostri interessi di ricerca risiedono esattamente nell'intersezione tra fisica, chimica, biologia e scienza dei materiali, " Ha detto Fraden. "Il nostro laboratorio è interdisciplinare, ma siamo anche coinvolti in diversi progetti multi-investigatore".

Il lavoro di Fraden ha cercato di rispondere a domande chiave, come perché c'è un tale vuoto tra l'animato e l'inanimato che non confondiamo mai i due, e se gli ingegneri potessero creare materiali con attributi simili agli organismi viventi, ma costruito da oggetti inanimati, possiamo farlo usando solo prodotti chimici ed evitare l'uso di motori ed elettronica?

Guardando più in profondità, Fraden ha studiato come un tipo di rete neurale presente nell'anguilla, chiamato il generatore di pattern centrale, produce onde di impulsi chimici che si propagano lungo la spina dorsale dell'anguilla per guidare ritmicamente i muscoli del nuoto.

Il laboratorio di Fraden ha affrontato la sfida di progettare un materiale che imitasse il generatore costruendo prima un dispositivo di controllo che producesse gli stessi modelli di attivazione neurale osservati dai biologi. Là, hanno creato un sistema di controllo che funziona con energia chimica, come si fa in biologia, senza ricorrere a computer o dispositivi elettromeccanici, che sono i segni distintivi dell'uomo, tecnologia robotica dura.

È stata fatta una svolta quando Fraden e il suo team si sono resi conto che le stesse dinamiche CPG potevano essere catturate su una piattaforma non biologica se avessero usato un noto processo chimico oscillante noto come reazione di Belousov-Zhabotinsky. Il laboratorio ha sviluppato tecniche di fabbricazione all'avanguardia per l'ingegneria dei materiali morbidi reti chimiche artificiali su scala nanometrica che, del tutto, sarebbe in grado di produrre un'ampia varietà di modelli. Le loro robuste reti chimiche risultanti hanno prodotto modelli dinamici distribuiti identici al Generatore di modelli centrale dell'anguilla.

Fraden ha osservato che "i principi ingegneristici che hanno identificato sono generali e possono essere applicati per progettare un'intera gamma di altri generatori di schemi centrali, come i responsabili di altre funzioni autonome, come l'andatura di un cavallo, Per esempio, camminare, galoppo, trottare e galoppare».

La ricerca appare come l'articolo di copertina del numero del 7 marzo di una rivista britannica, Laboratorio su un chip , che è una rivista scientifica peer-reviewed che pubblica ricerche primarie e articoli di revisione su qualsiasi aspetto della miniaturizzazione su scala micro e nano. Il lavoro ha guadagnato la distinzione come uno degli "articoli caldi" della rivista grazie ai suoi punteggi particolarmente alti ottenuti nel processo di revisione scientifica.

"Consentire una svolta nel potenziamento robotico delle manovre e delle operazioni militari ad alta velocità richiede di interrompere la nozione di un sistema intelligente come piattaforma rigida multi-corpo ottimizzata per lenti, movimento attentamente pianificato in un terreno sgombro, "Stanton ha detto. "È necessaria una ricerca fondamentale per trasporre i materiali intelligenti dall'attuale paradigma di proprietà fisse e meccanica con controllo estrinseco e centralizzato a un nuovo paradigma di compositi attivi morbidi con funzionalità dinamica senza precedenti realizzata attraverso l'incorporazione del substrato massimale strettamente integrato, decentralizzato, e rilevamento intrinseco (basato sui materiali) altamente distribuito, attuazione, e controllo".

Come passo successivo, Il laboratorio di Fraden affronterà la sfida di trasferire le informazioni codificate nei modelli dinamici dalle reti chimiche per creare una risposta meccanica mirata all'interno di un nuovo gel chemio-meccanico. Questo potrebbe trasferire la ricerca da materiale artificiale che imita il tessuto neurale a un tessuto artificiale che ora imita il tessuto neuromuscolare.