Forskere efterligner neuralt væv

U.S. Army-finansierede forskere ved Brandeis University har opdaget en proces til konstruktion af næste generations bløde materialer med indlejrede kemiske netværk, der efterligner neurale vævs adfærd. Det banebrydende materiale kan føre til autonom blød robotteknologi, dobbelte sensorer og aktuatorer til bløde eksoskeletter, eller kunstigt skind.

Forskningen lægger grundlaget for futuristisk blødt aktivt stof med højt distribueret og tæt integreret sansning, aktivering, beregning og kontrol, sagde Dr. Samuel Stanton, leder af programmet for komplekse og dynamiske systemer i Direktoratet for Ingeniørvidenskab ved Hærens Forskningskontor, en del af U.S. Army Research Laboratory, beliggende i Research Triangle Park i Durham, North Carolina.

ARO finansierer forskning for at igangsætte videnskabelige og vidtrækkende teknologiske opdagelser i ekstramurale organisationer, uddannelsesinstitutioner, nonprofitorganisationer og privat industri, der kan gøre fremtidige amerikanske soldater stærkere og sikrere.

Forskerholdet, ledet af professor i fysik Dr. Seth Fraden fra Brandeis University, hentede inspiration fra en svømmende blååls fascinerende bugtede bevægelse og forvirrende store kløft mellem, hvordan naturlige systemer bevæger sig, og manglen på sådanne koordinerede og jævne bevægelser i kunstige systemer.

Vores forskningsinteresser ligger direkte i krydsfeltet mellem fysik, kemi, biologi og materialevidenskab, " sagde Fraden. "Vores laboratorium er tværfagligt, men vi er også involveret i flere multi-investigator-projekter."

Fradens arbejde søgte at besvare centrale spørgsmål, hvorfor er der så et tomrum mellem det levende og det livløse, at vi aldrig forveksler de to, og hvis ingeniører kunne skabe materialer med lignende egenskaber som levende organismer, men konstrueret af livløse genstande, kan vi gøre det ved kun at bruge kemikalier og undgå brug af motorer og elektronik?

Ser man dybere, Fraden undersøgte, hvordan en type neuralt netværk findes i ålen, kaldet Central Pattern Generator, producerer bølger af kemiske impulser, der forplanter sig ned ad ålens rygrad for rytmisk at drive svømmemusklerne.

Fradens laboratorium nærmede sig udfordringen med at konstruere et materiale, der efterligner generatoren, ved først at konstruere en kontrolenhed, der producerer de samme neurale aktiveringsmønstre, som biologer har observeret. der, de skabte et kontrolsystem, der kører på kemisk kraft, som man gør i biologi, uden at ty til nogen computer eller elektromekaniske enheder, som er kendetegnene for menneskeskabte, hård robotteknologi.

Et gennembrud blev gjort, da Fraden og hans team indså, at den samme CPG-dynamik kunne fanges på en ikke-biologisk platform, hvis de brugte en velkendt oscillerende kemisk proces kendt som Belousov-Zhabotinsky-reaktionen. Laboratoriet udviklede state-of-the-art fremstillingsteknikker til konstruktion af bløde materialer til kunstige kemiske netværk i nanoskala, alt i alt, ville være i stand til at producere en bred vifte af mønstre. Deres resulterende robuste kemiske netværk producerede distribuerede dynamiske mønstre, der var identiske med ålens centrale mønstergenerator.

Fraden bemærkede, at "de ingeniørprincipper, de identificerede, er generelle og kan anvendes til at designe en hel række andre centrale mønstergeneratorer, såsom dem, der er ansvarlige for andre autonome funktioner, såsom hestens gang, for eksempel, gå, galop, trav og galop."

Forskningen vises som forsideartikel til 7. marts-udgaven af ​​et britisk tidsskrift, Lab on a Chip , som er et peer-reviewed videnskabeligt tidsskrift, der udgiver primære forsknings- og reviewartikler om ethvert aspekt af miniaturisering på mikro- og nanoskala. Værket opnåede udmærkelse som en af ​​tidsskriftets "hotte artikler" på grund af dets særligt høje score opnået i den videnskabelige reviewproces.

"At muliggøre et gennembrud inden for robotforstærkning af militær manøvre og operationer i højt tempo kræver at forstyrre forestillingen om et intelligent system som en stiv multi-body platform optimeret til langsom, nøje planlagt bevægelse i uoverskueligt terræn, " sagde Stanton. "Fundamental forskning er nødvendig for at transponere smarte materialer fra det nuværende paradigme af faste egenskaber og mekanik med ydre og centraliseret kontrol til et nyt paradigme af bløde aktive kompositter med hidtil uset dynamisk funktionalitet realiseret gennem maksimal substratindlejring af tæt integreret, decentraliseret, og højt distribueret indre (materialebaseret) sansning, aktivering, og kontrol."

Som et næste skridt, Fradens laboratorium vil påtage sig udfordringen med at overføre informationen kodet i de dynamiske mønstre fra de kemiske netværk for at skabe en målrettet mekanisk respons i en ny kemo-mekanisk gel. Dette kunne overføre forskningen fra kunstigt materiale, der efterligner neuralt væv, til kunstigt væv, der nu efterligner neuromuskulært væv.