24 Ocak 2024
(Nanowerk Gündemi) Yaşayan organizmalar bilgi paylaşmak, eşlerin yerini belirlemek ve bölgelerini savunmak için karmaşık kimyasal sinyaller kullanır. Benzer yeteneklerden yararlanmak robotik algı, işbirliği ve işlevsellikte devrim yaratabilir. Ancak daha önceki yapay kimyasal iletişim girişimleri sınırlamalarla karşı karşıyaydı: Malzemeler entegre gönderme, alma ve algılama yeteneklerinden yoksundu; Kimyasal salınım zamanlaması ve hacimleri üzerindeki kontrol yetersizdi; Transfer aralığı kısıtlamaları pratik uygulamaları engelledi; Çok adımlı reaksiyonların basamaklanması mümkün değildi. Çeşitli ortamlarda biyolojik yaratıcılığı taklit eden uyarlanabilir malzemeler geliştirmek, kalıcı bir zorluktur. Sıvı kristal polimer ağlarındaki (LCN'ler) son gelişmeler artık bu engellerin aşılması konusunda umut vaat ediyor. LCN'ler ışığa maruz kaldığında şekil değiştiren programlanabilir akıllı malzemelerdir. Bulgularını raporlayarak Gelişmiş malzemeler (“Yapay Polimer Sistemlerde Sıvı Transferi Yoluyla Derilerarası İletişimin Kolaylaştırılması”), Eindhoven Teknoloji Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, cildi taklit eden LCN katmanları oluşturdu. Bu yapay deriler isteğe bağlı olarak kimyasal sinyaller gönderebiliyor, alabiliyor ve algılayabiliyor. Malzemeler gelişmiş dinamik kontrol, sinyal verme çok yönlülüğü, reaktif işlevsellik ve duyusal geri bildirim sergiliyor.
Bilgi aktarımı, alımı ve algılama dahil olmak üzere kimyasal iletişim sürecinin şematik gösterimi. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Ekibin yaklaşımı, ışıkla tetiklenen kimyasal salınımı elektrik yükü algılamayla bütünleştiriyor. LCN cilt katmanları, iyonik bileşikler içeren çözeltiyle doldurulmuş, özel olarak tasarlanmış gözenekler içerir. UV ışığına maruz kalmak cildin büzülmesine neden olur ve sıvıyı gözeneklerden yakındaki başka bir yüzeye iter. Bu aktarım işlemi, başarılı aktarımın sinyalini veren bir LED ışığını açar. Yayılan sıvı aynı zamanda alıcı cildin elektriksel olarak ölçülen direncini de değiştirir. Direnç değerleri iletilen sıvı hacimleriyle ilişkilidir ve kimyasal salınım miktarlarının tam olarak algılanmasına olanak tanır. Ekibin akıllı cilt katmanları, ışığa duyarlı azobenzen molekülleri ile harmanlanmış bir sıvı kristal polimer ağı (LCN) malzemesini kullanıyor. LCN, iyonik çözeltilerle aşılanmış, özel olarak tasarlanmış nano ölçekli gözenekler içerir. Ultraviyole ışığa maruz kalma, azobenzen cis-trans moleküler konfigürasyonunun değişmesini tetikleyerek hizalanmış LCN moleküllerinin sırasını kaybetmesine neden olur. Bu daralma gözenekleri sıkıştırarak sıvının dışarı pompalanmasını sağlar. Kullanılan çözeltiler arasında polietilen glikol, etilen glikol veya suda çözünmüş iyonik tuzlar bulunur.
Bir cam alt tabaka üzerinde LCN kaplamanın imalat prosedürü. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Yapay deri benzersiz bir şekilde yakın polimer reaksiyonlarını mümkün kılar. Bir gösteri olarak, araştırmacılar ayrı LCN katmanlarını potasyum tiyosiyanat (KSCN) ve demir (III) klorür (FeCl3) çözeltileriyle doldurdular. Temas, iki kimyasal arasında ani bir renk değişimi reaksiyonunu tetikledi. Fe3+ iyonları aktarılan SCN- iyonlarıyla etkileşime girdiğinde canlı kırmızı bir demir(III) tiyosiyanat koordinasyon kompleksi oluşur. Bu görsel gösterge, LCN'nin hem sıvı transfer kapasitesini hem de reaktif potansiyelini doğrular.
Dış görünüm katmanları gönderme ve alma modları arasında geçiş yapabilir. Çözeltiyi kabul ettikten sonra deriler aydınlatıldığında sıvıyı geri verir ve iki yönlü bir aktarımı tamamlar. Teknoloji, üç veya daha fazla reaktif kaplamanın zincirleri boyunca çok adımlı basamaklı reaksiyonları kolaylaştırır. Değişken ışığa maruz kalma zamanlaması, kimyasal salınım oranları üzerinde saniyenin kesirlerinden dakikalara kadar hassas kontrol sağlar. Malzemenin çeşitli organik ve inorganik bileşiklerle uyumluluğunu optimize edecek şekilde farklı cilt gözenek boyutları üretilebilir.
Malzemeler, yinelemeli gönderme/alma döngüleri sırasında yüksek verimlilik ve doğruluk sergiliyor. Denemelerde, ilk A derisi, UV ışığıyla tetiklendiğinde solüsyonunun %60'ını alıcı B'ye gönderdi. Cilt A daha sonra ikinci bir alıcı B19'e ilave %1'luk bir sıvı iletti. Gelecekteki yüzey mühendisliği iyileştirmeleri iletim verimini daha da artırmayı amaçlıyor.
Benzersiz bir şekilde, yapay deri katmanları aynı zamanda yakın reaktif kimyayı da mümkün kılar. Ekip ayrı derileri potasyum tiyosiyanat çözeltisi ve demir (III) klorür çözeltisiyle doldurdu. Temas anında renk değişimi reaksiyonunu tetikledi. Fotoğraf maskeleri aracılığıyla uzamsal olarak desenlenmiş ışığa maruz kalma, aktarım sırasında alıcı yüzeylere karşılık gelen şekilleri basmıştır. Bu seviyedeki sinyalleşme spesifikliği, karmaşık iletişim protokolleri için umut vaat ediyor.
Araştırmacılar, insan-robot arayüzleri, çoklu ajan koordinasyonu, ilaç üretimi, kimyasal analiz, mikroakışkanlar, programlanabilir yüzeyler ve akıllı sensör ağları gibi potansiyel uygulamaları vurguluyor. Teknoloji, yapay zeka sistemlerinin çevresel kimyasal imzaları yorumlaması ve bunlara tepki vermesi için bir temel sağlıyor. Uyarlanabilir yanıt yetenekleri, robot ekiplerinin durumsal güncellemeleri, davranış ipuçlarını ve görev atamalarını paylaşarak işbirliği yapmasına olanak sağlayabilir.
Çalışma, sentetik malzemelerle içsel biyolojik süreçleri yeniden yaratmak için gereken önemli yenilikleri ortaya koyuyor. Ancak tam ölçekli pratik uygulamaların gerçekleştirilmesi hala daha fazla araştırmayı gerektirmektedir. Umut verici olmakla birlikte, mevcut teknoloji sınırlamalarının yaygın ticari dağıtımdan önce ele alınması gerekmektedir.
Devam eden araştırmalar, üretim verimlerini %60'ın üzerinde en üst düzeye çıkarmak için üretim tekniklerini ve gözenek konfigürasyonlarını optimize etmeyi amaçlamaktadır. Ekip, kontrol hassasiyetini ve modülasyon oranlarını iyileştirmek için ışığa duyarlı alternatif molekülleri araştırıyor.
Uzun vadeli kimyasal stabilite, malzeme bozunma modları, toksisite eşikleri ve biyouyumluluk faktörlerinin incelenmesi, insan etkileşimlerini, tıbbi cihazları ve gıda üretimini içeren uygulamalar için gerekli olacaktır. Güvenlik risklerini ve çevresel etkileri analiz etmek de kritik öneme sahiptir. Elastomerler gibi alternatif kaplama alt katmanlarının araştırılması, teknolojinin giyilebilir cihazlara ve robot dış yüzeylerine entegre edilmesini mümkün kılacaktır. Sıcaklık, nem ve atmosferik kimya dalgalanmaları karşısında gerçek dünyadaki operasyonel dinamikleri anlamak için daha büyük test ortamları gereklidir.
Ek olarak, kimyasal sinyalleme yoluyla tamamen merkezi olmayan çoklu ajan koordinasyonu teorik olarak uygulanabilir ancak deneysel olarak doğrulanmamıştır. Yapay feromonlar aracılığıyla karınca kolonileri gibi doğal sistemlerle karşılaştırılabilecek karmaşık çoklu robot davranışlarının yaratılması hâlâ arzu edilen bir şey. Kolektif grup karar verme dinamiklerini incelemek, potansiyel toplumsal etkiler hakkında hipotezler öne sürmeden önce gelmelidir.
Malzeme bilimcileri, robot bilimcileri ve bilgisayar bilimcileri arasında daha fazla disiplinlerarası işbirliği, bu açık zorlukların üstesinden gelmek için kritik öneme sahiptir. Biyolojiden ilham alan mühendislik, uyarlanabilir üretim ve somutlaştırılmış yapay zeka konularındaki içgörüleri birleştiren yaratıcı tasarım yaklaşımları, iddialı hedefleri gerçekleştirmenin yollarını sunuyor.
Bilgi aktarımı, alımı ve algılama dahil olmak üzere kimyasal iletişim sürecinin şematik gösterimi. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Ekibin yaklaşımı, ışıkla tetiklenen kimyasal salınımı elektrik yükü algılamayla bütünleştiriyor. LCN cilt katmanları, iyonik bileşikler içeren çözeltiyle doldurulmuş, özel olarak tasarlanmış gözenekler içerir. UV ışığına maruz kalmak cildin büzülmesine neden olur ve sıvıyı gözeneklerden yakındaki başka bir yüzeye iter. Bu aktarım işlemi, başarılı aktarımın sinyalini veren bir LED ışığını açar. Yayılan sıvı aynı zamanda alıcı cildin elektriksel olarak ölçülen direncini de değiştirir. Direnç değerleri iletilen sıvı hacimleriyle ilişkilidir ve kimyasal salınım miktarlarının tam olarak algılanmasına olanak tanır. Ekibin akıllı cilt katmanları, ışığa duyarlı azobenzen molekülleri ile harmanlanmış bir sıvı kristal polimer ağı (LCN) malzemesini kullanıyor. LCN, iyonik çözeltilerle aşılanmış, özel olarak tasarlanmış nano ölçekli gözenekler içerir. Ultraviyole ışığa maruz kalma, azobenzen cis-trans moleküler konfigürasyonunun değişmesini tetikleyerek hizalanmış LCN moleküllerinin sırasını kaybetmesine neden olur. Bu daralma gözenekleri sıkıştırarak sıvının dışarı pompalanmasını sağlar. Kullanılan çözeltiler arasında polietilen glikol, etilen glikol veya suda çözünmüş iyonik tuzlar bulunur.
Bir cam alt tabaka üzerinde LCN kaplamanın imalat prosedürü. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Yapay deri benzersiz bir şekilde yakın polimer reaksiyonlarını mümkün kılar. Bir gösteri olarak, araştırmacılar ayrı LCN katmanlarını potasyum tiyosiyanat (KSCN) ve demir (III) klorür (FeCl3) çözeltileriyle doldurdular. Temas, iki kimyasal arasında ani bir renk değişimi reaksiyonunu tetikledi. Fe3+ iyonları aktarılan SCN- iyonlarıyla etkileşime girdiğinde canlı kırmızı bir demir(III) tiyosiyanat koordinasyon kompleksi oluşur. Bu görsel gösterge, LCN'nin hem sıvı transfer kapasitesini hem de reaktif potansiyelini doğrular.
Dış görünüm katmanları gönderme ve alma modları arasında geçiş yapabilir. Çözeltiyi kabul ettikten sonra deriler aydınlatıldığında sıvıyı geri verir ve iki yönlü bir aktarımı tamamlar. Teknoloji, üç veya daha fazla reaktif kaplamanın zincirleri boyunca çok adımlı basamaklı reaksiyonları kolaylaştırır. Değişken ışığa maruz kalma zamanlaması, kimyasal salınım oranları üzerinde saniyenin kesirlerinden dakikalara kadar hassas kontrol sağlar. Malzemenin çeşitli organik ve inorganik bileşiklerle uyumluluğunu optimize edecek şekilde farklı cilt gözenek boyutları üretilebilir.
Malzemeler, yinelemeli gönderme/alma döngüleri sırasında yüksek verimlilik ve doğruluk sergiliyor. Denemelerde, ilk A derisi, UV ışığıyla tetiklendiğinde solüsyonunun %60'ını alıcı B'ye gönderdi. Cilt A daha sonra ikinci bir alıcı B19'e ilave %1'luk bir sıvı iletti. Gelecekteki yüzey mühendisliği iyileştirmeleri iletim verimini daha da artırmayı amaçlıyor.
Benzersiz bir şekilde, yapay deri katmanları aynı zamanda yakın reaktif kimyayı da mümkün kılar. Ekip ayrı derileri potasyum tiyosiyanat çözeltisi ve demir (III) klorür çözeltisiyle doldurdu. Temas anında renk değişimi reaksiyonunu tetikledi. Fotoğraf maskeleri aracılığıyla uzamsal olarak desenlenmiş ışığa maruz kalma, aktarım sırasında alıcı yüzeylere karşılık gelen şekilleri basmıştır. Bu seviyedeki sinyalleşme spesifikliği, karmaşık iletişim protokolleri için umut vaat ediyor.
Araştırmacılar, insan-robot arayüzleri, çoklu ajan koordinasyonu, ilaç üretimi, kimyasal analiz, mikroakışkanlar, programlanabilir yüzeyler ve akıllı sensör ağları gibi potansiyel uygulamaları vurguluyor. Teknoloji, yapay zeka sistemlerinin çevresel kimyasal imzaları yorumlaması ve bunlara tepki vermesi için bir temel sağlıyor. Uyarlanabilir yanıt yetenekleri, robot ekiplerinin durumsal güncellemeleri, davranış ipuçlarını ve görev atamalarını paylaşarak işbirliği yapmasına olanak sağlayabilir.
Çalışma, sentetik malzemelerle içsel biyolojik süreçleri yeniden yaratmak için gereken önemli yenilikleri ortaya koyuyor. Ancak tam ölçekli pratik uygulamaların gerçekleştirilmesi hala daha fazla araştırmayı gerektirmektedir. Umut verici olmakla birlikte, mevcut teknoloji sınırlamalarının yaygın ticari dağıtımdan önce ele alınması gerekmektedir.
Devam eden araştırmalar, üretim verimlerini %60'ın üzerinde en üst düzeye çıkarmak için üretim tekniklerini ve gözenek konfigürasyonlarını optimize etmeyi amaçlamaktadır. Ekip, kontrol hassasiyetini ve modülasyon oranlarını iyileştirmek için ışığa duyarlı alternatif molekülleri araştırıyor.
Uzun vadeli kimyasal stabilite, malzeme bozunma modları, toksisite eşikleri ve biyouyumluluk faktörlerinin incelenmesi, insan etkileşimlerini, tıbbi cihazları ve gıda üretimini içeren uygulamalar için gerekli olacaktır. Güvenlik risklerini ve çevresel etkileri analiz etmek de kritik öneme sahiptir. Elastomerler gibi alternatif kaplama alt katmanlarının araştırılması, teknolojinin giyilebilir cihazlara ve robot dış yüzeylerine entegre edilmesini mümkün kılacaktır. Sıcaklık, nem ve atmosferik kimya dalgalanmaları karşısında gerçek dünyadaki operasyonel dinamikleri anlamak için daha büyük test ortamları gereklidir.
Ek olarak, kimyasal sinyalleme yoluyla tamamen merkezi olmayan çoklu ajan koordinasyonu teorik olarak uygulanabilir ancak deneysel olarak doğrulanmamıştır. Yapay feromonlar aracılığıyla karınca kolonileri gibi doğal sistemlerle karşılaştırılabilecek karmaşık çoklu robot davranışlarının yaratılması hâlâ arzu edilen bir şey. Kolektif grup karar verme dinamiklerini incelemek, potansiyel toplumsal etkiler hakkında hipotezler öne sürmeden önce gelmelidir.
Malzeme bilimcileri, robot bilimcileri ve bilgisayar bilimcileri arasında daha fazla disiplinlerarası işbirliği, bu açık zorlukların üstesinden gelmek için kritik öneme sahiptir. Biyolojiden ilham alan mühendislik, uyarlanabilir üretim ve somutlaştırılmış yapay zeka konularındaki içgörüleri birleştiren yaratıcı tasarım yaklaşımları, iddialı hedefleri gerçekleştirmenin yollarını sunuyor.
– Michael, Royal Society of Chemistry tarafından yazılan üç kitabın yazarıdır:
Nano-Toplum: Teknolojinin Sınırlarını Zorlamak,
Nanoteknoloji: Gelecek Küçük, ve
Nano-mühendislik: Teknolojiyi Görünmez Yapan Beceri ve Araçlar
Telif Hakkı ©
Nanowerk LLC
Spotlight konuk yazarı olun! Geniş ve büyüyen grubumuza katılın konuk katkıda bulunanlar. Nanoteknoloji topluluğuyla paylaşmak için bilimsel bir makale yayınladınız mı veya başka heyecan verici gelişmeleriniz mi var? Nanowerk.com'da nasıl yayınlayacağınız burada.
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64490.php
