Les chercheurs ont développé un système synthétique qui réagit aux changements environnementaux de la même manière que les organismes vivants, en utilisant une boucle de rétroaction pour maintenir ses conditions internes. Cela maintient non seulement les conditions du matériau stables, mais permet également de construire des mécanismes qui réagissent dynamiquement à leur environnement, un trait important pour les matériaux interactifs et la robotique douce.
Les systèmes vivants, des cellules individuelles aux organismes, utilisent des systèmes de rétroaction pour maintenir leurs conditions. Par exemple, nous transpirons pour nous rafraîchir lorsque nous avons trop chaud, et divers systèmes fonctionnent pour maintenir notre tension artérielle et notre chimie dans la bonne plage. Ces systèmes homéostatiques rendent les organismes vivants robustes en leur permettant de faire face aux changements de leur environnement. Bien que la rétroaction soit importante dans certains systèmes artificiels, tels que les thermostats, ils n’ont pas l’adaptabilité dynamique ou la robustesse des systèmes vivants homéostatiques.
Maintenant, des chercheurs de l’Université Aalto et de l’Université de Tampere ont développé un système de matériaux qui maintient son état d’une manière similaire aux systèmes vivants. Le nouveau système se compose de deux gels côte à côte avec des propriétés différentes. Les interactions entre les gels font que le système répond de manière homéostatique aux changements environnementaux, en maintenant sa température dans une plage étroite lorsqu’il est stimulé par un laser.
« Les tissus des organismes vivants sont généralement mous, élastiques et déformables », explique Hang Zhang, chercheur postdoctoral à l’Académie de Finlande à Aalto, qui était l’un des principaux auteurs de l’étude. « Les gels utilisés dans notre système sont similaires. Ce sont des polymères mous gonflés dans l’eau, et ils peuvent fournir une variété fascinante de réponses aux stimuli environnementaux. »
Le laser brille à travers le premier gel, puis rebondit sur un miroir sur le second gel, où il chauffe les nanoparticules d’or en suspension. La chaleur se déplace à travers le deuxième gel vers le premier, augmentant sa température. Le premier gel n’est transparent que lorsqu’il est en dessous d’une certaine température ; une fois qu’il devient plus chaud, il devient opaque.
Ce changement empêche le laser d’atteindre le miroir et de chauffer le deuxième gel. Les deux gels refroidissent ensuite jusqu’à ce que le premier redevienne transparent, moment auquel le laser passe à travers et le processus de chauffage recommence.
En d’autres termes, la disposition du laser, des gels et du miroir crée une boucle de rétroaction qui maintient les gels à une température spécifique. À des températures plus élevées, le laser est bloqué et ne peut pas chauffer les nanoparticules d’or ; à des températures plus basses, le premier gel devient transparent, de sorte que le laser brille à travers et chauffe les particules d’or.
« Comme un système vivant, notre système homéostatique est dynamique. La température oscille autour du seuil, mais la plage d’oscillation est assez petite et résiste aux perturbations extérieures. C’est un système homéostatique robuste », déclare Hao Zeng, une académie de Finlande. chercheur à l’Université de Tampere qui était l’autre auteur principal de l’étude.
Les chercheurs ont ensuite construit des déclencheurs tactiles au-dessus du système de rétroaction. Pour ce faire, ils ont ajouté des composants mécaniques qui réagissent aux changements de température. Toucher le système de gel de la bonne manière le pousse hors de son état stable, et le changement de température qui en résulte provoque la déformation du composant mécanique. Ensuite, tout revient à son état d’origine.
L’équipe a conçu deux systèmes qui répondent à différents types de toucher. Dans un cas, une seule touche déclenche la réponse, tout comme une plante de mimosa qui ne me touche pas plie ses feuilles lorsqu’elle est caressée. La deuxième configuration ne répond qu’aux touches répétées, de la même manière qu’un attrape-mouche de Vénus doit être touché deux fois en 30 secondes pour le faire se refermer.
« Nous pouvons déclencher un comportement de claquement avec des touches mécaniques à des intervalles appropriés, tout comme un attrape-mouche de Vénus. Notre système de matériaux artificiels peut faire la distinction entre les touches à basse fréquence et à haute fréquence », explique le professeur Arri Priimägi de l’Université de Tampere.
Les chercheurs ont également montré comment le système homéostatique pouvait contrôler un écran couleur dynamique ou même pousser une cargaison le long de son corps. Ils soulignent que ces démonstrations ne présentent qu’une poignée des possibilités ouvertes par le nouveau concept de matériau.
« Les matériaux inspirés par la vie offrent un nouveau paradigme pour les matériaux dynamiques et adaptatifs qui attireront probablement les chercheurs dans les années à venir », déclare le professeur Olli Ikkala de l’Université Aalto. « Des systèmes soigneusement conçus qui imitent certains des comportements de base des systèmes vivants ouvriront la voie à des matériaux vraiment intelligents et à une robotique douce interactive. »
Cette recherche a été publiée dans Nanotechnologie de la nature.
Plus d’information:
Hao Zeng, Hydrogels contrôlés par rétroaction avec oscillations homéostatiques et transduction de signal dissipative, Nanotechnologie de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41565-022-01241-x. www.nature.com/articles/s41565-022-01241-x