一个以生命为灵感的系统可动态适应其环境

研究人员开发了一种合成系统，它以与生物体相同的方式响应环境变化，使用反馈回路维持其内部条件。这不仅使材料的条件保持稳定，而且还可以构建对环境动态反应的机制，这是交互式材料和软机器人的重要特征。

生命系统，从单个细胞到生物体，都使用反馈系统来维持它们的状态。例如，当我们太热时，我们会出汗来降温，并且有多种系统可以将我们的血压和化学物质保持在正确的范围内。这些稳态系统使生物体能够应对环境变化，从而使它们变得健壮。虽然反馈在某些人工系统(例如恒温器)中很重要，但它们不具备稳态生命系统的动态适应性或鲁棒性。

现在，阿尔托大学和坦佩雷大学的研究人员已经开发出一种材料系统，可以以类似于生命系统的方式维持其状态。新系统由两个具有不同特性的并排凝胶组成。凝胶之间的相互作用使系统对环境变化做出稳态反应，在受到激光刺激时将其温度保持在一个狭窄的范围内。

“生物体的组织通常是柔软的、有弹性的和可变形的，”芬兰科学院阿尔托博士后研究员张航说，他是该研究的主要作者之一。“我们系统中使用的凝胶是相似的。它们是在水中膨胀的软聚合物，它们可以对环境刺激产生多种多样的反应。”

激光穿过第一个凝胶，然后从镜子反射到第二个凝胶上，在那里加热悬浮的金纳米粒子。热量通过第二个凝胶移动到第一个，提高了它的温度。第一种凝胶只有在低于特定温度时才透明;一旦变热，它就会变得不透明。

这种变化阻止激光到达镜子并加热第二个凝胶。然后这两种凝胶冷却下来，直到第一种凝胶再次变得透明，此时激光穿过，加热过程再次开始。

换句话说，激光、凝胶和镜子的排列形成了一个反馈回路，使凝胶保持在特定温度。在更高的温度下，激光被阻挡，无法加热金纳米粒子;在较低的温度下，第一个凝胶变得透明，因此激光照射并加热金颗粒。

“就像一个生命系统，我们的稳态系统是动态的。温度在阈值附近振荡，但振荡范围非常小并且对外界干扰很稳健。这是一个稳健的稳态系统，”芬兰科学院的曾浩说坦佩雷大学的研究员，他是该研究的另一位主要作者。

然后，研究人员在反馈系统之上构建了触摸响应触发器。为此，他们添加了响应温度变化的机械组件。以正确的方式接触凝胶系统会将其推离稳定状态，由此产生的温度变化会导致机械组件变形。之后，一切恢复原状。

该团队设计了两个系统来响应不同类型的触摸。在一种情况下，单次触摸会触发反应，就像触摸我不要含羞草植物在抚摸时会折叠它的叶子一样。第二种设置仅响应重复触摸，就像维纳斯捕蝇草需要在30秒内触摸两次才能使其快速关闭一样。

坦佩雷大学的ArriPriimägi教授解释说：“我们可以在适当的时间间隔通过机械触摸触发捕捉行为，就像维纳斯捕蝇器一样。我们的人造材料系统可以区分低频和高频触摸。”

研究人员还展示了稳态系统如何控制动态彩色显示器，甚至可以沿着它的身体推动货物。他们强调，这些演示仅展示了新材料概念开辟的一小部分可能性。

阿尔托大学的OlliIkkala教授说：“受生命启发的材料为动态和适应性材料提供了一种新范例，这可能会在未来几年吸引研究人员。”“精心设计的模仿生命系统某些基本行为的系统将为真正的智能材料和交互式软机器人铺平道路。”