24 januari 2024
(Nanowerk-schijnwerper) Levende organismen maken gebruik van geavanceerde chemische signalen om informatie te delen, partners te lokaliseren en territoria te verdedigen. Het benutten van vergelijkbare vaardigheden zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de perceptie, samenwerking en functionaliteit van robots. Eerdere pogingen tot kunstmatige chemische communicatie stuitten echter op beperkingen: materialen ontbeerden geïntegreerde verzend-, ontvangst- en detectiemogelijkheden; De controle over de timing en volumes van de chemische vrijgave was onvoldoende; Beperkingen op het gebied van overdrachtsbereik belemmerden praktische toepassingen; Trapsgewijze meerstapsreacties waren onhaalbaar. Een blijvende uitdaging is het ontwikkelen van aanpasbare materialen die biologisch vernuft in verschillende omgevingen nabootsen. Recente doorbraken in vloeibaar-kristalpolymeernetwerken (LCN's) zijn nu veelbelovend in het overwinnen van deze barrières. LCN's zijn programmeerbare slimme materialen die van vorm veranderen bij blootstelling aan licht. Rapporteren van hun bevindingen in Geavanceerde materialen (“Het faciliteren van interskin-communicatie in kunstmatige polymeersystemen door middel van vloeistofoverdracht”), heeft een onderzoeksteam van de Technische Universiteit Eindhoven LCN-lagen gemaakt die de huid nabootsen. Deze kunstmatige huiden kunnen op verzoek chemische signalen verzenden, ontvangen en waarnemen. De materialen demonstreren verbeterde dynamische controle, veelzijdigheid van signalen, reactieve functionaliteit en sensorische feedback.
Schematische illustratie van het proces van chemische communicatie, inclusief informatieoverdracht, ontvangst en detectie. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De aanpak van het team integreert door licht veroorzaakte chemische vrijgave met detectie van elektrische lading. De LCN-huidlagen bevatten speciaal ontworpen poriën die gevuld zijn met een oplossing die ionische verbindingen bevat. Blootstelling aan UV-licht zorgt ervoor dat de huid samentrekt, waardoor vloeistof door de poriën naar een ander nabijgelegen oppervlak wordt geduwd. Bij dit overdrachtsproces gaat een LED-lampje branden, wat een succesvolle overdracht aangeeft. De uitgestoten vloeistof verandert ook de elektrisch gemeten weerstand op de ontvangende huid. Weerstandswaarden correleren met de doorgelaten vloeistofvolumes, waardoor exacte vrijkomende hoeveelheden chemicaliën kunnen worden waargenomen. De slimme huidlagen van het team maken gebruik van een vloeibaar kristalpolymeernetwerk (LCN) materiaal gemengd met fotoresponsieve azobenzeenmoleculen. Het LCN bevat speciaal ontworpen poriën op nanoschaal, doordrenkt met ionische oplossingen. Blootstelling aan ultraviolet licht veroorzaakt een omkering van de cis-trans-moleculaire configuratie van azobenzeen, waardoor de uitgelijnde LCN-moleculen hun orde verliezen. Door deze samentrekking worden de poriën samengedrukt, waardoor vloeistof naar buiten wordt gepompt. De gebruikte oplossingen omvatten polyethyleenglycol, ethyleenglycol of ionische zouten opgelost in water.
Fabricageprocedure van de LCN-coating op een glassubstraat. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De kunstmatige huid maakt op unieke wijze directe polymeerreacties mogelijk. Als demonstratie vulden de onderzoekers afzonderlijke LCN-lagen met oplossingen van kaliumthiocyanaat (KSCN) en ijzer (III) chloride (FeCl3). Contact veroorzaakte een onmiddellijke kleurveranderingsreactie tussen de twee chemicaliën. Wanneer Fe3+-ionen interageren met overgedragen SCN-ionen, ontstaat er een levendig rood ijzer(III)thiocyanaat-coördinatiecomplex. Deze visuele indicator verifieert zowel de vloeistofoverdrachtcapaciteit als het reactieve potentieel van de LCN.
Huidlagen kunnen wisselen tussen verzend- en ontvangstmodi. Nadat de oplossing is geaccepteerd, geven de huiden bij verlichting vloeistof terug, waardoor een overdracht in twee richtingen wordt voltooid. De technologie maakt trapsgewijze reacties in meerdere stappen mogelijk over ketens van drie of meer reactieve huiden. De variabele timing van de lichtblootstelling biedt nauwkeurige controle over de snelheid waarmee chemische stoffen vrijkomen, van fracties van een seconde tot minuten. Er kunnen verschillende afmetingen van de huidporiën worden vervaardigd, waardoor de materiaalcompatibiliteit met diverse organische en anorganische verbindingen wordt geoptimaliseerd.
De materialen vertonen een hoge efficiëntie en nauwkeurigheid tijdens iteratieve verzend-/ontvangstcycli. In proeven stuurde een eerste huid A 60% van zijn oplossing naar ontvanger B wanneer deze werd geactiveerd door UV-licht. Huid A stuurde vervolgens nog eens 19% vloeistof naar een tweede ontvanger B1. Toekomstige verbeteringen aan de oppervlaktetechniek zijn bedoeld om de transmissieopbrengsten verder te verbeteren.
Uniek is dat de kunstmatige huidlagen ook directe reactieve chemie mogelijk maken. Het team vulde afzonderlijke huiden met kaliumthiocyanaatoplossing en ijzer(III)chloride-oplossing. Contact veroorzaakte een onmiddellijke kleurveranderingsreactie. Blootstelling aan licht met een ruimtelijk patroon door middel van fotomaskers drukte tijdens de overdracht overeenkomstige vormen op ontvangende oppervlakken. Dit niveau van signaalspecificiteit is veelbelovend voor ingewikkelde communicatieprotocollen.
De onderzoekers benadrukken mogelijke toepassingen, waaronder mens-robotinterfaces, coördinatie van meerdere agenten, medicijnproductie, chemische analyse, microfluïdica, programmeerbare oppervlakken en slimme sensornetwerken. De technologie biedt een basis voor kunstmatige intelligentiesystemen om chemische kenmerken uit de omgeving te interpreteren en erop te reageren. Adaptieve responsmogelijkheden kunnen robotteams in staat stellen samen te werken door situationele updates, gedragsaanwijzingen en taaktoewijzingen uit te wisselen.
De studie toont de belangrijkste innovaties aan die nodig zijn om intrinsieke biologische processen met synthetische materialen na te bootsen. Het realiseren van grootschalige praktische implementaties vergt echter nog verder onderzoek. Hoewel veelbelovend, moeten de huidige technologische beperkingen worden aangepakt voordat grootschalige commerciële implementatie mogelijk is.
Lopend onderzoek heeft tot doel de fabricagetechnieken en porieconfiguraties te optimaliseren om de productieopbrengsten boven de 60% te maximaliseren. Het team onderzoekt alternatieve, fotogevoelige moleculen om de controleprecisie en modulatiesnelheden te verbeteren.
Het bestuderen van de chemische stabiliteit op langere termijn, de vormen van materiaalafbraak, toxiciteitsdrempels en biocompatibiliteitsfactoren zullen essentieel zijn voor toepassingen waarbij menselijke interacties, medische apparatuur en voedselproductie betrokken zijn. Het analyseren van veiligheidsrisico's en milieueffecten is ook van cruciaal belang. Het onderzoeken van alternatieve coatingsubstraten zoals elastomeren zou de integratie van technologie op draagbare apparaten en de buitenkant van robots mogelijk maken. Grotere testomgevingen zijn nodig om de operationele dynamiek in de echte wereld te begrijpen bij schommelingen in temperatuur, vochtigheid en atmosferische chemie.
Bovendien blijft volledig gedecentraliseerde coördinatie van meerdere agenten door middel van chemische signalering theoretisch haalbaar, maar experimenteel niet gevalideerd. Het creëren van complex opkomend multi-robotgedrag dat vergelijkbaar is met natuurlijke systemen zoals mierenkolonies door middel van kunstmatige feromonen blijft ambitieus. Het bestuderen van de dynamiek van collectieve groepsbesluitvorming moet voorafgaan aan het formuleren van hypothesen over mogelijke maatschappelijke gevolgen.
Verdere interdisciplinaire samenwerking tussen materiaalwetenschappers, robotici en computerwetenschappers is van cruciaal belang om deze open uitdagingen aan te pakken. Creatieve ontwerpbenaderingen die inzichten uit bio-geïnspireerde engineering, adaptieve productie en belichaamde AI combineren, bieden mogelijkheden om ambitieuze doelen te realiseren.
Schematische illustratie van het proces van chemische communicatie, inclusief informatieoverdracht, ontvangst en detectie. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De aanpak van het team integreert door licht veroorzaakte chemische vrijgave met detectie van elektrische lading. De LCN-huidlagen bevatten speciaal ontworpen poriën die gevuld zijn met een oplossing die ionische verbindingen bevat. Blootstelling aan UV-licht zorgt ervoor dat de huid samentrekt, waardoor vloeistof door de poriën naar een ander nabijgelegen oppervlak wordt geduwd. Bij dit overdrachtsproces gaat een LED-lampje branden, wat een succesvolle overdracht aangeeft. De uitgestoten vloeistof verandert ook de elektrisch gemeten weerstand op de ontvangende huid. Weerstandswaarden correleren met de doorgelaten vloeistofvolumes, waardoor exacte vrijkomende hoeveelheden chemicaliën kunnen worden waargenomen. De slimme huidlagen van het team maken gebruik van een vloeibaar kristalpolymeernetwerk (LCN) materiaal gemengd met fotoresponsieve azobenzeenmoleculen. Het LCN bevat speciaal ontworpen poriën op nanoschaal, doordrenkt met ionische oplossingen. Blootstelling aan ultraviolet licht veroorzaakt een omkering van de cis-trans-moleculaire configuratie van azobenzeen, waardoor de uitgelijnde LCN-moleculen hun orde verliezen. Door deze samentrekking worden de poriën samengedrukt, waardoor vloeistof naar buiten wordt gepompt. De gebruikte oplossingen omvatten polyethyleenglycol, ethyleenglycol of ionische zouten opgelost in water.
Fabricageprocedure van de LCN-coating op een glassubstraat. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De kunstmatige huid maakt op unieke wijze directe polymeerreacties mogelijk. Als demonstratie vulden de onderzoekers afzonderlijke LCN-lagen met oplossingen van kaliumthiocyanaat (KSCN) en ijzer (III) chloride (FeCl3). Contact veroorzaakte een onmiddellijke kleurveranderingsreactie tussen de twee chemicaliën. Wanneer Fe3+-ionen interageren met overgedragen SCN-ionen, ontstaat er een levendig rood ijzer(III)thiocyanaat-coördinatiecomplex. Deze visuele indicator verifieert zowel de vloeistofoverdrachtcapaciteit als het reactieve potentieel van de LCN.
Huidlagen kunnen wisselen tussen verzend- en ontvangstmodi. Nadat de oplossing is geaccepteerd, geven de huiden bij verlichting vloeistof terug, waardoor een overdracht in twee richtingen wordt voltooid. De technologie maakt trapsgewijze reacties in meerdere stappen mogelijk over ketens van drie of meer reactieve huiden. De variabele timing van de lichtblootstelling biedt nauwkeurige controle over de snelheid waarmee chemische stoffen vrijkomen, van fracties van een seconde tot minuten. Er kunnen verschillende afmetingen van de huidporiën worden vervaardigd, waardoor de materiaalcompatibiliteit met diverse organische en anorganische verbindingen wordt geoptimaliseerd.
De materialen vertonen een hoge efficiëntie en nauwkeurigheid tijdens iteratieve verzend-/ontvangstcycli. In proeven stuurde een eerste huid A 60% van zijn oplossing naar ontvanger B wanneer deze werd geactiveerd door UV-licht. Huid A stuurde vervolgens nog eens 19% vloeistof naar een tweede ontvanger B1. Toekomstige verbeteringen aan de oppervlaktetechniek zijn bedoeld om de transmissieopbrengsten verder te verbeteren.
Uniek is dat de kunstmatige huidlagen ook directe reactieve chemie mogelijk maken. Het team vulde afzonderlijke huiden met kaliumthiocyanaatoplossing en ijzer(III)chloride-oplossing. Contact veroorzaakte een onmiddellijke kleurveranderingsreactie. Blootstelling aan licht met een ruimtelijk patroon door middel van fotomaskers drukte tijdens de overdracht overeenkomstige vormen op ontvangende oppervlakken. Dit niveau van signaalspecificiteit is veelbelovend voor ingewikkelde communicatieprotocollen.
De onderzoekers benadrukken mogelijke toepassingen, waaronder mens-robotinterfaces, coördinatie van meerdere agenten, medicijnproductie, chemische analyse, microfluïdica, programmeerbare oppervlakken en slimme sensornetwerken. De technologie biedt een basis voor kunstmatige intelligentiesystemen om chemische kenmerken uit de omgeving te interpreteren en erop te reageren. Adaptieve responsmogelijkheden kunnen robotteams in staat stellen samen te werken door situationele updates, gedragsaanwijzingen en taaktoewijzingen uit te wisselen.
De studie toont de belangrijkste innovaties aan die nodig zijn om intrinsieke biologische processen met synthetische materialen na te bootsen. Het realiseren van grootschalige praktische implementaties vergt echter nog verder onderzoek. Hoewel veelbelovend, moeten de huidige technologische beperkingen worden aangepakt voordat grootschalige commerciële implementatie mogelijk is.
Lopend onderzoek heeft tot doel de fabricagetechnieken en porieconfiguraties te optimaliseren om de productieopbrengsten boven de 60% te maximaliseren. Het team onderzoekt alternatieve, fotogevoelige moleculen om de controleprecisie en modulatiesnelheden te verbeteren.
Het bestuderen van de chemische stabiliteit op langere termijn, de vormen van materiaalafbraak, toxiciteitsdrempels en biocompatibiliteitsfactoren zullen essentieel zijn voor toepassingen waarbij menselijke interacties, medische apparatuur en voedselproductie betrokken zijn. Het analyseren van veiligheidsrisico's en milieueffecten is ook van cruciaal belang. Het onderzoeken van alternatieve coatingsubstraten zoals elastomeren zou de integratie van technologie op draagbare apparaten en de buitenkant van robots mogelijk maken. Grotere testomgevingen zijn nodig om de operationele dynamiek in de echte wereld te begrijpen bij schommelingen in temperatuur, vochtigheid en atmosferische chemie.
Bovendien blijft volledig gedecentraliseerde coördinatie van meerdere agenten door middel van chemische signalering theoretisch haalbaar, maar experimenteel niet gevalideerd. Het creëren van complex opkomend multi-robotgedrag dat vergelijkbaar is met natuurlijke systemen zoals mierenkolonies door middel van kunstmatige feromonen blijft ambitieus. Het bestuderen van de dynamiek van collectieve groepsbesluitvorming moet voorafgaan aan het formuleren van hypothesen over mogelijke maatschappelijke gevolgen.
Verdere interdisciplinaire samenwerking tussen materiaalwetenschappers, robotici en computerwetenschappers is van cruciaal belang om deze open uitdagingen aan te pakken. Creatieve ontwerpbenaderingen die inzichten uit bio-geïnspireerde engineering, adaptieve productie en belichaamde AI combineren, bieden mogelijkheden om ambitieuze doelen te realiseren.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64490.php
