Ngày 11 tháng 2023 năm XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã mơ ước tạo ra các dạng sống tổng hợp - robot và thiết bị điện tử có thể tự lắp ráp, tự sửa chữa và thể hiện hành vi giống như thật xuất hiện từ hàng tỷ tương tác vi mô, giống như các sinh vật tự nhiên. Tầm nhìn này đã khơi dậy trí tưởng tượng trong khoa học viễn tưởng nhưng vẫn nằm ngoài tầm với trong thực tế. Tuy nhiên, những đột phá gần đây trên nhiều lĩnh vực đang khiến thách thức lớn này đến gần hơn. Nguồn cảm hứng cốt lõi nằm ở những đặc tính vượt trội của tế bào sống, những khối xây dựng cơ bản của mọi sự sống đã biết. Các tế bào riêng lẻ có thể duy trì các điều kiện bên trong ổn định, chứa đựng ranh giới giữa cái tôi và cái không phải cái tôi, di chuyển, cảm nhận môi trường, giao tiếp với nhau và thậm chí có thể tự sao chép. Ở cấp độ cao hơn, các cộng đồng và dòng tế bào chuyên biệt đã phát triển thành cuộc sống đa bào phức tạp xung quanh chúng ta, từ vi khuẩn đến cá voi xanh. Việc thành thạo việc lắp ráp các cấu trúc không sống ở cấp độ nano để đạt được những đặc tính sống này đã được chứng minh là vô cùng khó khăn. Nhưng hiện nay chúng ta đang chứng kiến một số bước phát triển quan trọng trong khoa học và kỹ thuật có thể biến điều này thành hiện thực. Ví dụ, những tiến bộ trong chế tạo vi mô cho phép các mạch điện tử và cảm biến phức tạp được tạo khuôn trên các màng siêu mỏng với các đặc điểm nhỏ hơn micron. Trong khi đó, các vật liệu nano mới như hydrogel và kim loại lỏng giờ đây có thể thay đổi hình dạng một cách linh hoạt để phản ứng với tín hiệu điện. Việc kết hợp những vật liệu có thể thay đổi hình dạng này với các thiết bị điện tử linh hoạt có mật độ cao sẽ tạo ra một thế hệ mô-đun cực nhỏ mới có thể tự định hình lại theo yêu cầu. Với bộ vi xử lý nhỏ tích hợp, các mô-đun “vật chất thông minh” này về cơ bản có thể trở thành rô-bốt gấp có thể lập trình của riêng chúng. Chúng có thể được thiết kế để liên kết với các mô-đun lân cận theo ba chiều, trao đổi nguồn và dữ liệu, thậm chí chủ động tháo rời và kết nối lại để tạo thành các cấu trúc mới hoàn toàn mới.
Ví dụ về SMARTLET hiện có thể chế tạo được với một số chức năng chính được gắn nhãn. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Tóm lại, chúng ta đang bắt đầu có nguyên liệu thô cho các hệ thống điện tử và robot mô phỏng cách các tập hợp tế bào sống tự tổ chức thành các sinh vật sống, có khả năng thích nghi và tiến hóa. Chính sự hội tụ này giờ đây đã đưa các sinh vật sống nhân tạo đến gần với thực tế một cách đầy trêu ngươi. Vẫn còn những thách thức to lớn ở phía trước, nhưng những giấc mơ đầy tham vọng nhất của các nhà tương lai học giờ đây dường như nằm trong các định luật vật lý, nếu không muốn nói là kỹ thuật. Trong một bài viết quan điểm mới được xuất bản trên Vật liệu tiên tiến (“Hình thái vi điện tử: Vật liệu thông minh với các thiết bị điện tử được lắp ráp thành các sinh vật nhân tạo”), các nhà nghiên cứu lập luận rằng chúng ta đang trên đà phát triển một công nghệ mà họ gọi là “hình thái vi điện tử”, cho phép các vật liệu điện tử chủ động định hình lại chúng thành các cấu trúc phức tạp, giống như sự sống. Các tác giả, dẫn đầu bởi John S. McCaskill và Oliver G. Schmidt thuộc Đại học Công nghệ Chemnitz ở Đức, cho biết điều này có thể dẫn đến “các sinh vật nhân tạo” được tạo thành từ các bộ phận điện tử thể hiện một số đặc tính cốt lõi của tế bào sống tự nhiên, bao gồm cả khả năng để duy trì cân bằng nội môi, tạo ra ranh giới giữa cái tôi và cái không phải cái tôi, và tái tạo/tự lắp ráp. Trong khi các sinh vật nhân tạo hoàn toàn tự động vẫn còn mang tính suy đoán vào thời điểm này, các khối xây dựng đang được kết hợp với nhau. Các nhà nghiên cứu chỉ ra những bước đột phá gần đây trong việc sản xuất vật liệu điện tử dẻo siêu mỏng có thể tự thay đổi hình dạng theo ba chiều để đáp ứng với các kích thích như nhiệt hoặc ánh sáng. Sử dụng các kỹ thuật như origami và kirigami (cắt và gấp), các nhà nghiên cứu có thể lập trình trước các vật liệu phẳng để cuộn tròn, uốn cong và gấp theo những cách cụ thể để tạo thành các mô-đun 3D phức tạp. Những vật liệu điện tử linh hoạt này có thể lưu trữ các thành phần như cảm biến, bộ truyền động, pin và quan trọng là các chip máy tính cực nhỏ. Việc bổ sung bộ vi xử lý cho phép mỗi mô-đun chứa thông tin kỹ thuật số về cách tự định hình lại và tương tác với các mô-đun khác. Các nhà nghiên cứu gọi những khối xây dựng thông minh này là “SMARTLETS”.
Con đường vi điện tử cho sự hình thành hình thái. A) Thiết kế bố cục phẳng tích hợp nhiều chức năng điện tử và có thể tự định hình lại thành các cấu trúc 3D: hình lập phương và hình bát diện cắt cụt tương ứng. B) Quá trình tự lắp ráp gấp lại của các cấu trúc này được điều khiển bởi các lực vật lý thường được sử dụng như I. sức căng bề mặt, II. ứng suất tại bề mặt phân cách của màng mỏng hoặc III. sự giãn nở thể tích của vật liệu như hydrogel. C) Quá trình tự lắp ráp xảy ra song song đối với tất cả các cấu trúc phẳng được chế tạo trên một tấm bán dẫn: I–III giai đoạn gấp liên tiếp cận cảnh, IV hoàn thành việc gấp trên tấm bán dẫn. D) Các kiến trúc tự lắp ráp được trang bị các chức năng vi điện tử tạo thành SMARTLET (khối xây dựng hoạt động cơ bản). E) SMARTLET sau đó có thể được tổng hợp một cách thụ động hoặc chủ động thành các tập hợp có thứ bậc cao hơn: I—hình khối; II—các khối bát diện cụt. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Thông qua mã hóa vật lý chính xác và các hình dạng bổ sung, các nhà nghiên cứu có thể khiến SMARTLETS tự lắp ráp thành các sinh vật có thứ bậc với cấu trúc và chức năng khác biệt, không khác gì các tế bào nhóm lại với nhau để tạo thành các sinh vật phức tạp trong tự nhiên. Và nhờ các thiết bị điện tử tích hợp, cấu trúc tổng thể có thể chủ động bảo trì và tự sửa chữa bằng cách kích hoạt các mô-đun riêng lẻ tháo rời và kết nối lại. Khả năng song song với sinh học còn đi xa hơn nữa. Thông tin kiểm soát hình thái và chức năng của sinh vật nhân tạo có thể được mã hóa thành “công thức di truyền” được lưu trữ trong thiết bị điện tử của mỗi SMARTLET. Công thức này cung cấp hướng dẫn chế tạo SMARTLETS mới tại chỗ để thay thế các mô-đun bị lỗi, cho phép hình thức tự tái tạo. Trong khi các sinh vật sinh học mang công thức di truyền này trong DNA, các nhà nghiên cứu lập luận rằng thông tin điện tử có thể đóng một vai trò tương tự trong các hệ thống nhân tạo. Điều này sẽ tái tạo một sự đổi mới quan trọng của đời sống tự nhiên – việc tách thông tin di truyền có thể sao chép để mã hóa các cấu trúc 3D phức tạp, không thể sao chép như protein và tế bào. Các nhà nghiên cứu hình dung rằng chúng ta chỉ mới bắt đầu khám phá những gì có thể thực hiện được với các vật liệu điện tử có thể lập trình và các mô-đun thông minh tự lắp ráp. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm từ các thiết bị y tế xâm lấn tối thiểu được lắp ráp bên trong cơ thể cho đến các cảm biến siêu nhỏ hoặc robot xây dựng các cấu trúc phức tạp theo yêu cầu.
By
Michael
Berger
Ví dụ về SMARTLET hiện có thể chế tạo được với một số chức năng chính được gắn nhãn. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Tóm lại, chúng ta đang bắt đầu có nguyên liệu thô cho các hệ thống điện tử và robot mô phỏng cách các tập hợp tế bào sống tự tổ chức thành các sinh vật sống, có khả năng thích nghi và tiến hóa. Chính sự hội tụ này giờ đây đã đưa các sinh vật sống nhân tạo đến gần với thực tế một cách đầy trêu ngươi. Vẫn còn những thách thức to lớn ở phía trước, nhưng những giấc mơ đầy tham vọng nhất của các nhà tương lai học giờ đây dường như nằm trong các định luật vật lý, nếu không muốn nói là kỹ thuật. Trong một bài viết quan điểm mới được xuất bản trên Vật liệu tiên tiến (“Hình thái vi điện tử: Vật liệu thông minh với các thiết bị điện tử được lắp ráp thành các sinh vật nhân tạo”), các nhà nghiên cứu lập luận rằng chúng ta đang trên đà phát triển một công nghệ mà họ gọi là “hình thái vi điện tử”, cho phép các vật liệu điện tử chủ động định hình lại chúng thành các cấu trúc phức tạp, giống như sự sống. Các tác giả, dẫn đầu bởi John S. McCaskill và Oliver G. Schmidt thuộc Đại học Công nghệ Chemnitz ở Đức, cho biết điều này có thể dẫn đến “các sinh vật nhân tạo” được tạo thành từ các bộ phận điện tử thể hiện một số đặc tính cốt lõi của tế bào sống tự nhiên, bao gồm cả khả năng để duy trì cân bằng nội môi, tạo ra ranh giới giữa cái tôi và cái không phải cái tôi, và tái tạo/tự lắp ráp. Trong khi các sinh vật nhân tạo hoàn toàn tự động vẫn còn mang tính suy đoán vào thời điểm này, các khối xây dựng đang được kết hợp với nhau. Các nhà nghiên cứu chỉ ra những bước đột phá gần đây trong việc sản xuất vật liệu điện tử dẻo siêu mỏng có thể tự thay đổi hình dạng theo ba chiều để đáp ứng với các kích thích như nhiệt hoặc ánh sáng. Sử dụng các kỹ thuật như origami và kirigami (cắt và gấp), các nhà nghiên cứu có thể lập trình trước các vật liệu phẳng để cuộn tròn, uốn cong và gấp theo những cách cụ thể để tạo thành các mô-đun 3D phức tạp. Những vật liệu điện tử linh hoạt này có thể lưu trữ các thành phần như cảm biến, bộ truyền động, pin và quan trọng là các chip máy tính cực nhỏ. Việc bổ sung bộ vi xử lý cho phép mỗi mô-đun chứa thông tin kỹ thuật số về cách tự định hình lại và tương tác với các mô-đun khác. Các nhà nghiên cứu gọi những khối xây dựng thông minh này là “SMARTLETS”.
Con đường vi điện tử cho sự hình thành hình thái. A) Thiết kế bố cục phẳng tích hợp nhiều chức năng điện tử và có thể tự định hình lại thành các cấu trúc 3D: hình lập phương và hình bát diện cắt cụt tương ứng. B) Quá trình tự lắp ráp gấp lại của các cấu trúc này được điều khiển bởi các lực vật lý thường được sử dụng như I. sức căng bề mặt, II. ứng suất tại bề mặt phân cách của màng mỏng hoặc III. sự giãn nở thể tích của vật liệu như hydrogel. C) Quá trình tự lắp ráp xảy ra song song đối với tất cả các cấu trúc phẳng được chế tạo trên một tấm bán dẫn: I–III giai đoạn gấp liên tiếp cận cảnh, IV hoàn thành việc gấp trên tấm bán dẫn. D) Các kiến trúc tự lắp ráp được trang bị các chức năng vi điện tử tạo thành SMARTLET (khối xây dựng hoạt động cơ bản). E) SMARTLET sau đó có thể được tổng hợp một cách thụ động hoặc chủ động thành các tập hợp có thứ bậc cao hơn: I—hình khối; II—các khối bát diện cụt. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Thông qua mã hóa vật lý chính xác và các hình dạng bổ sung, các nhà nghiên cứu có thể khiến SMARTLETS tự lắp ráp thành các sinh vật có thứ bậc với cấu trúc và chức năng khác biệt, không khác gì các tế bào nhóm lại với nhau để tạo thành các sinh vật phức tạp trong tự nhiên. Và nhờ các thiết bị điện tử tích hợp, cấu trúc tổng thể có thể chủ động bảo trì và tự sửa chữa bằng cách kích hoạt các mô-đun riêng lẻ tháo rời và kết nối lại. Khả năng song song với sinh học còn đi xa hơn nữa. Thông tin kiểm soát hình thái và chức năng của sinh vật nhân tạo có thể được mã hóa thành “công thức di truyền” được lưu trữ trong thiết bị điện tử của mỗi SMARTLET. Công thức này cung cấp hướng dẫn chế tạo SMARTLETS mới tại chỗ để thay thế các mô-đun bị lỗi, cho phép hình thức tự tái tạo. Trong khi các sinh vật sinh học mang công thức di truyền này trong DNA, các nhà nghiên cứu lập luận rằng thông tin điện tử có thể đóng một vai trò tương tự trong các hệ thống nhân tạo. Điều này sẽ tái tạo một sự đổi mới quan trọng của đời sống tự nhiên – việc tách thông tin di truyền có thể sao chép để mã hóa các cấu trúc 3D phức tạp, không thể sao chép như protein và tế bào. Các nhà nghiên cứu hình dung rằng chúng ta chỉ mới bắt đầu khám phá những gì có thể thực hiện được với các vật liệu điện tử có thể lập trình và các mô-đun thông minh tự lắp ráp. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm từ các thiết bị y tế xâm lấn tối thiểu được lắp ráp bên trong cơ thể cho đến các cảm biến siêu nhỏ hoặc robot xây dựng các cấu trúc phức tạp theo yêu cầu.
[Nhúng nội dung]
Tập hợp các kiến trúc trong đó các phần tử mô hình nhiều lớp sử dụng công nghệ vi hệ thống gấp lại thành cấu trúc 3D, tự lắp ráp để tạo thành SMARTLET vi điện tử có khả năng tự đẩy. Những SMARTLET này sau đó có thể được tổng hợp một cách thụ động hoặc chủ động thành các tập hợp có thứ bậc cao hơn. Công nghệ này vẫn phải đối mặt với những trở ngại trước khi các sinh vật nhân tạo điện tử tự động hoàn toàn có thể được hiện thực hóa. Đầu tiên, các mô-đun sẽ cần phải trở nên nhỏ hơn nhiều, gần với quy mô của từng ô riêng lẻ. Việc bổ sung các linh kiện điện tử cũng mang đến những yêu cầu về năng lượng mà thiên nhiên không thể đáp ứng được. Tuy nhiên, việc tích hợp các công nghệ như thu năng lượng và truyền năng lượng không dây có thể giúp khắc phục những hạn chế này. Trong khi khái niệm về các sinh vật tổng hợp có thể gợi lên hình ảnh các robot nano tự sao chép chạy điên cuồng, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng các thiết bị điện tử lấy cảm hứng từ sinh học thực sự có thể an toàn hơn và dễ kiểm soát hơn cuộc sống tự nhiên. Các kỹ thuật chế tạo cần thiết và các thành phần chuyên dụng có nghĩa là các hệ thống này không thể phát triển bên ngoài môi trường được kiểm soát. Và việc đưa các thẻ điện tử có thể theo dõi vào mỗi mô-đun mang lại mức độ giám sát và trách nhiệm cao. Các nhà nghiên cứu khẳng định rằng các sinh vật nhân tạo làm từ vật liệu thông minh là một thách thức lớn đối với khoa học và kỹ thuật, cho phép chúng ta theo đuổi sự hiểu biết sâu sắc hơn về chính sự sống. Và cách tiếp cận có tính lập trình cao, bền vững và kinh tế cũng có thể dẫn đến những công nghệ mang tính biến đổi trong thế giới thực. Vì vậy, trong khi sự sống nhân tạo điện tử có thể vẫn còn ở phía trước, nhờ những tiến bộ vật liệu gần đây, chân trời có vẻ gần hơn bao giờ hết. Sự nổi lên của hình thái vi điện tử có thể đánh dấu một giai đoạn mới trong nỗ lực lập trình hành vi thông minh ở dạng vật lý.By
Michael
Berger
– 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=64038.php
