11年2023月XNUMX日（Nanowerkスポットライト) 何十年もの間、科学者たちは合成生命体、つまり自然生物と同じように、自己集合し、自己修復し、何十億もの微視的な相互作用から生じる本物のような動作を示すことができるロボットやエレクトロニクスを作成することを夢見てきました。 このビジョンは SF の中で想像力をかきたてましたが、現実では依然として手の届かないものでした。 しかし、いくつかの分野にわたる最近の画期的な進歩により、この壮大な課題は興味をそそられるほど近づいています。 核となるインスピレーションは、既知のすべての生命の基本的な構成要素である生きた細胞の注目すべき特性にあります。 個々の細胞は安定した内部状態を維持し、自己と非自己の境界を持ち、移動し、環境を感知し、相互に通信し、さらには自己複製することができます。 より高いレベルでは、特殊な細胞のコミュニティと系統が、細菌からシロナガスクジラに至るまで、私たちの周りの複雑な多細胞生物に進化しました。 これらの生きた特性を達成するために非生きた構造のナノスケールの集合体を習得することは、非常に難しいことが証明されています。 しかし私たちは現在、これを可能にする科学と工学におけるいくつかの重要な発展を目の当たりにしています。 たとえば、微細加工の進歩により、複雑な電子回路やセンサーを XNUMX ミクロンより小さい形状の超薄膜上にパターン化できるようになりました。 一方、ヒドロゲルや液体金属などの新しいナノ材料は、電気信号に応じて動的に形状を変化させることができるようになりました。 これらの形状変化材料と柔軟な高密度エレクトロニクスを組み合わせることで、オンデマンドで形状を変えることができる新世代の微細モジュールが作成されます。 小型のオンボードマイクロプロセッサを使用すると、これらの「スマートマター」モジュールは本質的に、それ自体でプログラム可能な折りたたみロボットになることができます。 これらは、隣接するモジュールと三次元でリンクして電力とデータを交換するように設計でき、さらには積極的に分解して再接続してまったく新しい新たな構造を形成することもできます。
いくつかの重要なラベル付き機能を備えた、現在製造可能な SMARTLET の例。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載) 一言で言えば、生きた細胞の集合体が生存可能で適応性があり、進化する生物へと自己組織化する様子を模倣する電子システムおよびロボット システムの原料が入手され始めています。 この収束によって、人工生命体は魅惑的なほど現実に近づいています。 前途には依然として大きな課題が残されていますが、未来学者の最も野心的な夢は、まだ工学的ではないにしても、物理法則の範囲内にあるようです。 に掲載された新しい視点の記事では、 先端材料 (「マイクロエレクトロニクス形態形成：エレクトロニクスを組み込んだ人工生物を用いたスマートマテリアル」）、研究者らは、私たちは「マイクロエレクトロニクス形態形成」と呼ばれる技術の頂点に立っていると主張しています。この技術により、電子材料は自らを能動的に再形成して、複雑で生命のような構造を形成することができます。 ドイツのケムニッツ工科大学のジョン・S・マッカスキル氏とオリバー・G・シュミット氏率いる著者らは、これにより、自然の生きた細胞の中核となる特性の一部を示す電子部品で作られた「人工生物」が誕生する可能性があると述べている。恒常性を維持し、自己と非自己の境界を保持し、再生/自己集合します。 完全自律型人工生物は現時点ではまだ推測の段階にあるが、構成要素はまとまりつつある。 研究者らは、熱や光などの刺激に反応して三次元に形状を変えることができる極薄の柔軟な電子材料の製造における最近の進歩を指摘している。 研究者は、折り紙や切り紙（切断と折り畳み）などの技術を使用して、平らな材料を特定の方法でカール、曲げ、折り曲げて複雑な 3D モジュールを形成するように事前にプログラムできます。 これらの柔軟な電子材料は、センサー、アクチュエーター、バッテリー、そして重要なことに、小型のコンピューター チップなどのコンポーネントをホストできます。 マイクロプロセッサを追加すると、各モジュールに、それ自体を再形成する方法や他のモジュールと対話する方法に関するデジタル情報を含めることができます。 研究者らは、これらのインテリジェントなビルディング ブロックを「SMARTLETS」と呼んでいます。
形態形成のためのマイクロ電子経路。 A) さまざまな電子機能を統合し、それぞれ立方体と切頭八面体の 3D 構造に再形成できる平面レイアウトの設計。 B) これらの構造の折り畳み自己集合は、I. 表面張力、II. 表面張力などの一般的に使用される物理的力によって駆動されます。 薄膜界面の応力またはIII． ハイドロゲルなどの材料の体積膨張。 C) 自己組織化は、ウェハ上に作製されたすべての平面構造に対して並行して発生します。I ～ III の連続する折り畳みステージの拡大図、IV はウェハ上での完了した折り畳み。 D) マイクロエレクトロニクス機能を備えた自己組織化アーキテクチャは、SMARTLET (基本アクティブ ビルディング ブロック) を形成します。 E) SMARTLET は、受動的または能動的に、より高い階層のアセンブリに集約できます。 II - 切頂八面体。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載) 研究者は、正確な物理的エンコーディングと相補的な形状を通じて、SMARTLET を自己集合させて、自然界で集合して複雑な生物体を形成する細胞と同様に、分化した構造と機能を持つ階層的な生物体を形成させることができます。 また、搭載された電子機器のおかげで、個々のモジュールの分解と再接続をトリガーすることで、構造全体が積極的に保守および修復できます。 生物学との類似点はさらに先へ進む可能性があります。 人工生物の形態と機能を制御する情報は、各 SMARTLET の電子機器に保存された「遺伝子レシピ」に暗号化できます。 このレシピは、オフサイトで新しい SMARTLETS を製造して欠陥のあるモジュールを交換するための手順を提供し、一種の自己複製を可能にします。 生物はこの遺伝的レシピを DNA で保持していますが、研究者らは、電子情報が人工システムでも同様の役割を果たす可能性があると主張しています。 これは、タンパク質や細胞などの複雑で複製不可能な 3D 構造をコードする複製可能な遺伝情報の分離という、自然生命の重要なイノベーションを再現することになります。 研究者らは、プログラム可能な電子材料と自己組織化インテリジェント モジュールで可能になることの表面をなぞっただけだと考えています。 潜在的な用途は、体内で組み立てられる低侵襲医療機器から、オンデマンドで複雑な構造を構築する微小センサーやロボットの群れまで多岐にわたります。
By
Michael Liebreich
バーガー
いくつかの重要なラベル付き機能を備えた、現在製造可能な SMARTLET の例。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載) 一言で言えば、生きた細胞の集合体が生存可能で適応性があり、進化する生物へと自己組織化する様子を模倣する電子システムおよびロボット システムの原料が入手され始めています。 この収束によって、人工生命体は魅惑的なほど現実に近づいています。 前途には依然として大きな課題が残されていますが、未来学者の最も野心的な夢は、まだ工学的ではないにしても、物理法則の範囲内にあるようです。 に掲載された新しい視点の記事では、 先端材料 (「マイクロエレクトロニクス形態形成：エレクトロニクスを組み込んだ人工生物を用いたスマートマテリアル」）、研究者らは、私たちは「マイクロエレクトロニクス形態形成」と呼ばれる技術の頂点に立っていると主張しています。この技術により、電子材料は自らを能動的に再形成して、複雑で生命のような構造を形成することができます。 ドイツのケムニッツ工科大学のジョン・S・マッカスキル氏とオリバー・G・シュミット氏率いる著者らは、これにより、自然の生きた細胞の中核となる特性の一部を示す電子部品で作られた「人工生物」が誕生する可能性があると述べている。恒常性を維持し、自己と非自己の境界を保持し、再生/自己集合します。 完全自律型人工生物は現時点ではまだ推測の段階にあるが、構成要素はまとまりつつある。 研究者らは、熱や光などの刺激に反応して三次元に形状を変えることができる極薄の柔軟な電子材料の製造における最近の進歩を指摘している。 研究者は、折り紙や切り紙（切断と折り畳み）などの技術を使用して、平らな材料を特定の方法でカール、曲げ、折り曲げて複雑な 3D モジュールを形成するように事前にプログラムできます。 これらの柔軟な電子材料は、センサー、アクチュエーター、バッテリー、そして重要なことに、小型のコンピューター チップなどのコンポーネントをホストできます。 マイクロプロセッサを追加すると、各モジュールに、それ自体を再形成する方法や他のモジュールと対話する方法に関するデジタル情報を含めることができます。 研究者らは、これらのインテリジェントなビルディング ブロックを「SMARTLETS」と呼んでいます。
形態形成のためのマイクロ電子経路。 A) さまざまな電子機能を統合し、それぞれ立方体と切頭八面体の 3D 構造に再形成できる平面レイアウトの設計。 B) これらの構造の折り畳み自己集合は、I. 表面張力、II. 表面張力などの一般的に使用される物理的力によって駆動されます。 薄膜界面の応力またはIII． ハイドロゲルなどの材料の体積膨張。 C) 自己組織化は、ウェハ上に作製されたすべての平面構造に対して並行して発生します。I ～ III の連続する折り畳みステージの拡大図、IV はウェハ上での完了した折り畳み。 D) マイクロエレクトロニクス機能を備えた自己組織化アーキテクチャは、SMARTLET (基本アクティブ ビルディング ブロック) を形成します。 E) SMARTLET は、受動的または能動的に、より高い階層のアセンブリに集約できます。 II - 切頂八面体。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載) 研究者は、正確な物理的エンコーディングと相補的な形状を通じて、SMARTLET を自己集合させて、自然界で集合して複雑な生物体を形成する細胞と同様に、分化した構造と機能を持つ階層的な生物体を形成させることができます。 また、搭載された電子機器のおかげで、個々のモジュールの分解と再接続をトリガーすることで、構造全体が積極的に保守および修復できます。 生物学との類似点はさらに先へ進む可能性があります。 人工生物の形態と機能を制御する情報は、各 SMARTLET の電子機器に保存された「遺伝子レシピ」に暗号化できます。 このレシピは、オフサイトで新しい SMARTLETS を製造して欠陥のあるモジュールを交換するための手順を提供し、一種の自己複製を可能にします。 生物はこの遺伝的レシピを DNA で保持していますが、研究者らは、電子情報が人工システムでも同様の役割を果たす可能性があると主張しています。 これは、タンパク質や細胞などの複雑で複製不可能な 3D 構造をコードする複製可能な遺伝情報の分離という、自然生命の重要なイノベーションを再現することになります。 研究者らは、プログラム可能な電子材料と自己組織化インテリジェント モジュールで可能になることの表面をなぞっただけだと考えています。 潜在的な用途は、体内で組み立てられる低侵襲医療機器から、オンデマンドで複雑な構造を構築する微小センサーやロボットの群れまで多岐にわたります。
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マイクロシステム技術を使用した多層パターン要素が 3D 構造に折り畳まれ、自己集合して自己推進機能を持つマイクロエレクトロニクス SMARTLET を形成するアーキテクチャのアセンブリ。 これらの SMARTLET は、受動的または能動的に、より高い階層のアセンブリに集約できます。 この技術は、完全自律型の電子人工生命体を実現するまでに依然としてハードルに直面している。 XNUMX つは、モジュールをはるかに小さくし、個々のセルの規模に近づける必要があることです。 電子コンポーネントの追加により、自然界では対処する必要のない電力要件も発生します。 それにもかかわらず、エナジーハーベスティングやワイヤレス電力伝送などのテクノロジーを統合することで、これらの制限を克服できる可能性があります。 合成生物という概念は、自己複製するナノロボットが暴走するイメージを思い起こさせるかもしれないが、生物から着想を得たエレクトロニクスは実際には自然の生命体よりも安全で制御しやすい可能性があると研究者らは指摘している。 必要な製造技術と特殊なコンポーネントにより、これらのシステムは管理された環境の外では増殖できないことになります。 また、各モジュールに追跡可能な電子タグが組み込まれているため、高度な監視と説明責任が実現します。 研究者らは、知的材料で作られた人工生物は科学と工学にとって壮大な挑戦であり、生命そのものについてのより深い理解を追求できると主張している。 また、高度にプログラム可能で持続可能かつ経済的なアプローチは、現実世界のテクノロジーを変革する可能性もあります。 したがって、電子人工生命はまだ地平線にあるかもしれませんが、最近の材料の進歩のおかげで、その地平線はかつてないほど近づいているように見えます。 マイクロエレクトロニクス形態形成の台頭は、物理的な形で知的行動をプログラムする探求における新たな段階を示す可能性があります。By
Michael Liebreich
バーガー
– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
ナノ社会：技術の境界を押し上げる,
ナノテクノロジー：未来は小さい,
ナノエンジニアリング：テクノロジーを見えなくするスキルとツール
著作権©
ナノワークLLC
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- 情報源： https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64038.php
