Pesquisadores financiados pelo Exército dos EUA na Brandeis University descobriram um processo para a engenharia de materiais macios de próxima geração com redes químicas incorporadas que imitam o comportamento do tecido neural. O material de descoberta pode levar a robótica leve autônoma, sensores e atuadores duplos para exoesqueletos moles, ou peles artificiais.

A pesquisa estabelece as bases para uma matéria ativa suave futurística com detecção altamente distribuída e totalmente integrada, atuação, computação e controle, disse o Dr. Samuel Stanton, gerente do Programa de Sistemas Complexos e Dinâmicos da Diretoria de Ciências da Engenharia do Gabinete de Pesquisa do Exército, um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA, localizado no Research Triangle Park em Durham, Carolina do Norte.

ARO financia pesquisas para iniciar descobertas científicas e tecnológicas de longo alcance em organizações externas, instituições educacionais, organizações sem fins lucrativos e indústria privada que podem tornar os futuros soldados americanos mais fortes e seguros.

A equipe de pesquisa, liderado pelo Professor de Física Dr. Seth Fraden da Brandeis University, inspirou-se no movimento sinuoso hipnotizante de uma enguia azul nadando e na diferença intrigantemente grande entre como os sistemas naturais se movem e a falta desse movimento coordenado e suave nos sistemas artificiais.

Nossos interesses de pesquisa estão diretamente na interseção da física, química, biologia e ciência dos materiais, "Fraden disse." Nosso laboratório é interdisciplinar, mas também estamos envolvidos em vários projetos com vários investigadores. "

O trabalho de Fraden buscou responder a perguntas-chave, por exemplo, por que existe tal vazio entre o animado e o inanimado que nunca confundimos os dois, e se os engenheiros pudessem criar materiais com atributos semelhantes aos organismos vivos, mas construído a partir de objetos inanimados, podemos fazer isso usando apenas produtos químicos e evitar o uso de motores e eletrônicos?

Olhando mais profundamente, Fraden estudou como um tipo de rede neural presente na enguia, chamado de Gerador de Padrão Central, produz ondas de pulsos químicos que se propagam pela espinha da enguia para impulsionar ritmicamente os músculos de natação.

O laboratório de Fraden abordou o desafio de projetar um material que imite o gerador, primeiro construindo um dispositivo de controle que produz os mesmos padrões de ativação neural que os biólogos observaram. Lá, eles criaram um sistema de controle que funciona com energia química, como é feito em biologia, sem recorrer a nenhum computador ou dispositivos eletromecânicos, quais são as marcas registradas do homem, tecnologia robótica rígida.

Um avanço foi feito quando Fraden e sua equipe perceberam que a mesma dinâmica do CPG poderia ser capturada em uma plataforma não biológica se eles usassem um conhecido processo químico oscilante conhecido como reação de Belousov-Zhabotinsky. O laboratório desenvolveu técnicas de fabricação de última geração para materiais macios que projetam redes químicas artificiais em nanoescala que, completamente, seria capaz de produzir uma ampla variedade de padrões. Suas redes químicas robustas resultantes produziram padrões dinâmicos distribuídos idênticos ao Gerador de Padrão Central da enguia.

Fraden observou que "os princípios de engenharia que eles identificaram são gerais e podem ser aplicados para projetar uma ampla gama de outros Geradores de Padrões Centrais, como os responsáveis ​​por outras funções autônomas, como o andar de um cavalo, por exemplo, andar, galope, trote e galope. "

A pesquisa aparece como artigo de capa da edição de 7 de março de um jornal do Reino Unido, Lab on a Chip , que é um jornal científico revisado por pares que publica pesquisas primárias e artigos de revisão sobre qualquer aspecto da miniaturização em escala micro e nano. O trabalho ganhou destaque como um dos "artigos quentes" da revista devido às pontuações particularmente altas obtidas no processo de revisão científica.

"Permitir um avanço no aumento robótico de manobras e operações militares de alto ritmo requer interromper a noção de um sistema inteligente como uma plataforma rígida de múltiplos corpos otimizada para lentidão, movimento cuidadosamente planejado em terreno organizado, "Stanton disse." A pesquisa fundamental é necessária para transpor os materiais inteligentes do paradigma atual de propriedades fixas e mecânicas com controle extrínseco e centralizado para um novo paradigma de compostos ativos macios com funcionalidade dinâmica sem precedentes realizada através da incorporação máxima de substrato de rigidamente integrado, descentralizado, e detecção intrínseca (baseada em materiais) altamente distribuída, atuação, e controle."

Como uma próxima etapa, O laboratório de Fraden assumirá o desafio de transferir as informações codificadas nos padrões dinâmicos das redes químicas para criar uma resposta mecânica direcionada dentro de um novo gel quimio-mecânico. Isso poderia fazer a transição da pesquisa de um material artificial que imita o tecido neural para um tecido artificial que agora imita o tecido neuromuscular.