Ngày 24 tháng 2024 năm XNUMX
(Tiêu điểm Nanowerk) Các sinh vật sống sử dụng tín hiệu hóa học phức tạp để chia sẻ thông tin, xác định vị trí bạn tình và bảo vệ lãnh thổ. Khai thác các khả năng tương tự có thể cách mạng hóa nhận thức, cộng tác và chức năng của robot. Tuy nhiên, những nỗ lực liên lạc bằng hóa học nhân tạo trước đây gặp phải những hạn chế: Vật liệu thiếu khả năng gửi, nhận và cảm nhận tích hợp; Việc kiểm soát thời gian và khối lượng giải phóng hóa chất chưa đầy đủ; Hạn chế về phạm vi truyền tải đã cản trở các ứng dụng thực tế; Phản ứng nhiều bước xếp tầng là không khả thi. Một thách thức lâu dài là phát triển các vật liệu có khả năng thích ứng mô phỏng sự khéo léo sinh học trên nhiều môi trường khác nhau. Những đột phá gần đây trong mạng polyme tinh thể lỏng (LCN) hiện cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc vượt qua những rào cản này. LCN là vật liệu thông minh có thể lập trình, thay đổi hình dạng khi tiếp xúc với ánh sáng. Báo cáo những phát hiện của họ trong Vật liệu tiên tiến (“Tạo điều kiện thuận lợi cho giao tiếp giữa các da trong hệ thống polyme nhân tạo thông qua truyền chất lỏng”), một nhóm nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Eindhoven đã tạo ra các lớp LCN mô phỏng da. Những tấm da nhân tạo này có thể gửi, nhận và cảm nhận các tín hiệu hóa học theo yêu cầu. Các vật liệu này thể hiện khả năng kiểm soát động nâng cao, tính linh hoạt của tín hiệu, chức năng phản ứng và phản hồi cảm giác.
Sơ đồ minh họa quá trình giao tiếp hóa học, bao gồm truyền, tiếp nhận và cảm nhận thông tin. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Phương pháp tiếp cận của nhóm tích hợp giải phóng hóa chất được kích hoạt bằng ánh sáng với khả năng phát hiện điện tích. Các lớp da LCN chứa các lỗ chân lông được thiết kế đặc biệt chứa đầy dung dịch chứa các hợp chất ion. Tiếp xúc với tia UV làm cho da co lại, đẩy chất lỏng ra ngoài qua lỗ chân lông lên bề mặt khác gần đó. Quá trình truyền này sẽ bật đèn LED, báo hiệu quá trình truyền thành công. Chất lỏng phát ra cũng làm thay đổi điện trở đo được trên da tiếp nhận. Các giá trị điện trở tương quan với thể tích chất lỏng được truyền đi, cho phép cảm nhận chính xác lượng giải phóng hóa chất. Các lớp da thông minh của nhóm sử dụng vật liệu mạng polyme tinh thể lỏng (LCN) được trộn với các phân tử azobenzen phản ứng quang. LCN chứa các lỗ có kích thước nano được thiết kế đặc biệt được truyền dung dịch ion. Việc tiếp xúc với tia cực tím làm đảo lộn cấu hình phân tử azobenzen cis-trans, làm cho các phân tử LCN thẳng hàng bị mất trật tự. Sự co bóp này sẽ ép các lỗ chân lông, bơm chất lỏng ra ngoài. Các dung dịch được sử dụng bao gồm polyethylene glycol, ethylene glycol hoặc muối ion hòa tan trong nước.
Quy trình chế tạo lớp phủ LCN trên nền thủy tinh. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Da nhân tạo có khả năng tạo ra các phản ứng polyme gần nhất một cách độc đáo. Để chứng minh, các nhà nghiên cứu đã lấp đầy các lớp LCN riêng biệt bằng dung dịch kali thiocyanate (KSCN) và sắt (III) clorua (FeCl3). Sự tiếp xúc đã gây ra phản ứng đổi màu ngay lập tức giữa hai hóa chất. Khi các ion Fe3+ tương tác với các ion SCN- được chuyển hóa, một dạng phức hợp thiocyanate sắt(III) màu đỏ rực sẽ xuất hiện. Chỉ báo trực quan này xác minh cả khả năng truyền chất lỏng và khả năng phản ứng của LCN.
Các lớp da có thể luân phiên giữa các chế độ gửi và nhận. Sau khi tiếp nhận dung dịch, da sẽ trả lại chất lỏng khi được chiếu sáng, hoàn thành quá trình truyền hai chiều. Công nghệ này tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng xếp tầng nhiều bước trên các chuỗi gồm ba lớp da phản ứng trở lên. Thời gian tiếp xúc với ánh sáng có thể thay đổi giúp kiểm soát chính xác tốc độ giải phóng hóa chất từ một phần giây đến vài phút. Có thể sản xuất các kích thước lỗ chân lông khác nhau trên da, tối ưu hóa khả năng tương thích của vật liệu với các hợp chất hữu cơ và vô cơ đa dạng.
Các vật liệu này thể hiện hiệu quả và độ chính xác cao trong các chu kỳ gửi/nhận lặp đi lặp lại. Trong các thử nghiệm, làn da A ban đầu đã gửi 60% dung dịch của nó đến người nhận B khi được kích hoạt bởi tia UV. Da A sau đó truyền thêm 19% chất lỏng đến bộ thu thứ hai B1. Những cải tiến kỹ thuật bề mặt trong tương lai nhằm mục đích nâng cao hơn nữa hiệu suất truyền tải.
Điều đặc biệt là các lớp da nhân tạo còn cho phép phản ứng hóa học gần như xảy ra. Nhóm nghiên cứu đã lấp đầy các lớp da riêng biệt bằng dung dịch kali thiocyanate và dung dịch clorua sắt (III). Tiếp xúc gây ra phản ứng thay đổi màu sắc ngay lập tức. Tiếp xúc với ánh sáng theo khuôn mẫu không gian thông qua mặt nạ ảnh in các hình dạng tương ứng lên bề mặt nhận trong quá trình truyền. Mức độ đặc hiệu tín hiệu này hứa hẹn sẽ có các giao thức truyền thông phức tạp.
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh các ứng dụng tiềm năng bao gồm giao diện người-robot, phối hợp đa tác nhân, sản xuất thuốc, phân tích hóa học, vi lỏng, bề mặt lập trình và mạng cảm biến thông minh. Công nghệ này cung cấp nền tảng cho các hệ thống trí tuệ nhân tạo diễn giải và phản ứng với các dấu hiệu hóa học trong môi trường. Khả năng phản ứng thích ứng có thể cho phép các nhóm robot cộng tác bằng cách trao đổi thông tin cập nhật về tình huống, tín hiệu hành vi và phân công nhiệm vụ.
Nghiên cứu này chứng minh những đổi mới quan trọng cần thiết để tái tạo các quá trình sinh học nội tại bằng vật liệu tổng hợp. Tuy nhiên, việc thực hiện triển khai thực tế trên quy mô đầy đủ vẫn cần được nghiên cứu thêm. Mặc dù đầy hứa hẹn nhưng những hạn chế về công nghệ hiện tại cần được giải quyết trước khi triển khai thương mại rộng rãi.
Nghiên cứu đang tiến hành nhằm mục đích tối ưu hóa kỹ thuật chế tạo và cấu hình lỗ rỗng để tối đa hóa năng suất sản xuất trên 60%. Nhóm nghiên cứu đang khám phá các phân tử phản ứng với ánh sáng thay thế để cải thiện độ chính xác điều khiển và tốc độ điều chế.
Nghiên cứu độ ổn định hóa học lâu dài, phương thức phân hủy vật liệu, ngưỡng độc tính và các yếu tố tương thích sinh học sẽ rất cần thiết cho các ứng dụng liên quan đến tương tác của con người, thiết bị y tế và sản xuất thực phẩm. Phân tích rủi ro bảo mật và tác động môi trường cũng rất quan trọng. Việc nghiên cứu các chất nền phủ thay thế như chất đàn hồi sẽ cho phép tích hợp công nghệ vào các thiết bị đeo được và bên ngoài robot. Cần có môi trường thử nghiệm lớn hơn để hiểu được động lực vận hành trong thế giới thực qua các biến động về nhiệt độ, độ ẩm và hóa học trong khí quyển.
Ngoài ra, sự phối hợp đa tác nhân được phân cấp hoàn toàn thông qua tín hiệu hóa học vẫn khả thi về mặt lý thuyết nhưng chưa được xác thực về mặt thực nghiệm. Việc tạo ra các hành vi phức tạp của nhiều robot có thể so sánh với các hệ thống tự nhiên như đàn kiến thông qua pheromone nhân tạo vẫn là một khát vọng. Nghiên cứu động lực ra quyết định của nhóm tập thể phải đi trước việc đưa ra giả thuyết về các tác động xã hội tiềm ẩn.
Sự hợp tác liên ngành hơn nữa giữa các nhà khoa học vật liệu, nhà chế tạo robot và nhà khoa học máy tính là rất quan trọng để giải quyết những thách thức mở này. Các phương pháp thiết kế sáng tạo kết hợp những hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học, sản xuất thích ứng và AI thể hiện mang đến những con đường hiện thực hóa các mục tiêu đầy tham vọng.
Sơ đồ minh họa quá trình giao tiếp hóa học, bao gồm truyền, tiếp nhận và cảm nhận thông tin. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Phương pháp tiếp cận của nhóm tích hợp giải phóng hóa chất được kích hoạt bằng ánh sáng với khả năng phát hiện điện tích. Các lớp da LCN chứa các lỗ chân lông được thiết kế đặc biệt chứa đầy dung dịch chứa các hợp chất ion. Tiếp xúc với tia UV làm cho da co lại, đẩy chất lỏng ra ngoài qua lỗ chân lông lên bề mặt khác gần đó. Quá trình truyền này sẽ bật đèn LED, báo hiệu quá trình truyền thành công. Chất lỏng phát ra cũng làm thay đổi điện trở đo được trên da tiếp nhận. Các giá trị điện trở tương quan với thể tích chất lỏng được truyền đi, cho phép cảm nhận chính xác lượng giải phóng hóa chất. Các lớp da thông minh của nhóm sử dụng vật liệu mạng polyme tinh thể lỏng (LCN) được trộn với các phân tử azobenzen phản ứng quang. LCN chứa các lỗ có kích thước nano được thiết kế đặc biệt được truyền dung dịch ion. Việc tiếp xúc với tia cực tím làm đảo lộn cấu hình phân tử azobenzen cis-trans, làm cho các phân tử LCN thẳng hàng bị mất trật tự. Sự co bóp này sẽ ép các lỗ chân lông, bơm chất lỏng ra ngoài. Các dung dịch được sử dụng bao gồm polyethylene glycol, ethylene glycol hoặc muối ion hòa tan trong nước.
Quy trình chế tạo lớp phủ LCN trên nền thủy tinh. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Da nhân tạo có khả năng tạo ra các phản ứng polyme gần nhất một cách độc đáo. Để chứng minh, các nhà nghiên cứu đã lấp đầy các lớp LCN riêng biệt bằng dung dịch kali thiocyanate (KSCN) và sắt (III) clorua (FeCl3). Sự tiếp xúc đã gây ra phản ứng đổi màu ngay lập tức giữa hai hóa chất. Khi các ion Fe3+ tương tác với các ion SCN- được chuyển hóa, một dạng phức hợp thiocyanate sắt(III) màu đỏ rực sẽ xuất hiện. Chỉ báo trực quan này xác minh cả khả năng truyền chất lỏng và khả năng phản ứng của LCN.
Các lớp da có thể luân phiên giữa các chế độ gửi và nhận. Sau khi tiếp nhận dung dịch, da sẽ trả lại chất lỏng khi được chiếu sáng, hoàn thành quá trình truyền hai chiều. Công nghệ này tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng xếp tầng nhiều bước trên các chuỗi gồm ba lớp da phản ứng trở lên. Thời gian tiếp xúc với ánh sáng có thể thay đổi giúp kiểm soát chính xác tốc độ giải phóng hóa chất từ một phần giây đến vài phút. Có thể sản xuất các kích thước lỗ chân lông khác nhau trên da, tối ưu hóa khả năng tương thích của vật liệu với các hợp chất hữu cơ và vô cơ đa dạng.
Các vật liệu này thể hiện hiệu quả và độ chính xác cao trong các chu kỳ gửi/nhận lặp đi lặp lại. Trong các thử nghiệm, làn da A ban đầu đã gửi 60% dung dịch của nó đến người nhận B khi được kích hoạt bởi tia UV. Da A sau đó truyền thêm 19% chất lỏng đến bộ thu thứ hai B1. Những cải tiến kỹ thuật bề mặt trong tương lai nhằm mục đích nâng cao hơn nữa hiệu suất truyền tải.
Điều đặc biệt là các lớp da nhân tạo còn cho phép phản ứng hóa học gần như xảy ra. Nhóm nghiên cứu đã lấp đầy các lớp da riêng biệt bằng dung dịch kali thiocyanate và dung dịch clorua sắt (III). Tiếp xúc gây ra phản ứng thay đổi màu sắc ngay lập tức. Tiếp xúc với ánh sáng theo khuôn mẫu không gian thông qua mặt nạ ảnh in các hình dạng tương ứng lên bề mặt nhận trong quá trình truyền. Mức độ đặc hiệu tín hiệu này hứa hẹn sẽ có các giao thức truyền thông phức tạp.
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh các ứng dụng tiềm năng bao gồm giao diện người-robot, phối hợp đa tác nhân, sản xuất thuốc, phân tích hóa học, vi lỏng, bề mặt lập trình và mạng cảm biến thông minh. Công nghệ này cung cấp nền tảng cho các hệ thống trí tuệ nhân tạo diễn giải và phản ứng với các dấu hiệu hóa học trong môi trường. Khả năng phản ứng thích ứng có thể cho phép các nhóm robot cộng tác bằng cách trao đổi thông tin cập nhật về tình huống, tín hiệu hành vi và phân công nhiệm vụ.
Nghiên cứu này chứng minh những đổi mới quan trọng cần thiết để tái tạo các quá trình sinh học nội tại bằng vật liệu tổng hợp. Tuy nhiên, việc thực hiện triển khai thực tế trên quy mô đầy đủ vẫn cần được nghiên cứu thêm. Mặc dù đầy hứa hẹn nhưng những hạn chế về công nghệ hiện tại cần được giải quyết trước khi triển khai thương mại rộng rãi.
Nghiên cứu đang tiến hành nhằm mục đích tối ưu hóa kỹ thuật chế tạo và cấu hình lỗ rỗng để tối đa hóa năng suất sản xuất trên 60%. Nhóm nghiên cứu đang khám phá các phân tử phản ứng với ánh sáng thay thế để cải thiện độ chính xác điều khiển và tốc độ điều chế.
Nghiên cứu độ ổn định hóa học lâu dài, phương thức phân hủy vật liệu, ngưỡng độc tính và các yếu tố tương thích sinh học sẽ rất cần thiết cho các ứng dụng liên quan đến tương tác của con người, thiết bị y tế và sản xuất thực phẩm. Phân tích rủi ro bảo mật và tác động môi trường cũng rất quan trọng. Việc nghiên cứu các chất nền phủ thay thế như chất đàn hồi sẽ cho phép tích hợp công nghệ vào các thiết bị đeo được và bên ngoài robot. Cần có môi trường thử nghiệm lớn hơn để hiểu được động lực vận hành trong thế giới thực qua các biến động về nhiệt độ, độ ẩm và hóa học trong khí quyển.
Ngoài ra, sự phối hợp đa tác nhân được phân cấp hoàn toàn thông qua tín hiệu hóa học vẫn khả thi về mặt lý thuyết nhưng chưa được xác thực về mặt thực nghiệm. Việc tạo ra các hành vi phức tạp của nhiều robot có thể so sánh với các hệ thống tự nhiên như đàn kiến thông qua pheromone nhân tạo vẫn là một khát vọng. Nghiên cứu động lực ra quyết định của nhóm tập thể phải đi trước việc đưa ra giả thuyết về các tác động xã hội tiềm ẩn.
Sự hợp tác liên ngành hơn nữa giữa các nhà khoa học vật liệu, nhà chế tạo robot và nhà khoa học máy tính là rất quan trọng để giải quyết những thách thức mở này. Các phương pháp thiết kế sáng tạo kết hợp những hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học, sản xuất thích ứng và AI thể hiện mang đến những con đường hiện thực hóa các mục tiêu đầy tham vọng.
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64490.php
