Un matériau nouvelle génération qui s’adapte à son histoire

Inspirés par les systèmes vivants, des chercheurs de l’Université d’Aalto ont développé un nouveau matériau qui modifie son comportement électrique en fonction de l’expérience précédente, lui donnant effectivement une forme de base de mémoire adaptative. Ces matériaux adaptatifs pourraient jouer un rôle vital dans la prochaine génération de capteurs médicaux et environnementaux, ainsi que dans les robots mous ou les surfaces actives.

Les matériaux réactifs sont devenus courants dans une gamme d’applications, des verres qui s’assombrissent au soleil aux systèmes d’administration de médicaments. Mais les matériaux existants réagissent toujours de la même manière : leur réponse à un changement ne dépend pas de leur histoire, pas plus qu’ils ne s’adaptent en fonction de leur passé.

Ceci est fondamentalement différent des systèmes vivants, qui adaptent dynamiquement leur comportement en fonction des conditions antérieures. « L’un des prochains grands défis de la science des matériaux est de développer des matériaux véritablement intelligents inspirés d’organismes vivants. Nous voulions développer un matériau qui ajusterait son comportement en fonction de son histoire », explique Bo Peng, chercheur à l’Académie Aalto. était l’un des principaux auteurs de cette étude.

Les chercheurs ont synthétisé des billes magnétiques de taille micrométrique qui ont ensuite été stimulées par un champ magnétique. Lorsque l’aimant était allumé, les billes s’empilaient pour former des piliers. La force du champ magnétique affecte la forme des piliers, qui à son tour affecte la façon dont ils conduisent l’électricité.

« Avec ce système, nous avons couplé le stimulus du champ magnétique et la réponse électrique. Fait intéressant, nous avons constaté que la conductivité électrique dépend de la variation rapide ou lente du champ magnétique. Cela signifie que la réponse électrique dépend de l’historique du champ magnétique. « . Le comportement électrique était également différent si le champ magnétique augmentait ou diminuait. La réponse montrait une bistabilité, qui est une forme élémentaire de mémoire. Le matériau se comporte comme s’il avait une mémoire du champ magnétique », explique Peng.

La mémoire du système lui permet également de se comporter d’une manière qui ressemble à un apprentissage rudimentaire. Bien que l’apprentissage chez les organismes vivants soit extrêmement complexe, son élément le plus fondamental chez les animaux est un changement dans la réponse des connexions entre les neurones, appelées synapses. Selon la fréquence à laquelle elles sont stimulées, les synapses d’un neurone deviendront plus difficiles ou plus faciles à activer. Ce changement, connu sous le nom de plasticité synaptique à court terme, rend la connexion entre une paire de neurones plus forte ou plus faible en fonction de leur histoire récente.

Les chercheurs ont pu accomplir quelque chose de similaire avec leurs billes magnétiques, même si le mécanisme est totalement différent. Lorsqu’ils ont exposé les perles à un champ magnétique à impulsions rapides, le matériau est devenu meilleur conducteur d’électricité, tandis qu’une impulsion plus lente l’a rendu moins conducteur.

« Cela rappelle la plasticité synaptique à court terme », déclare Olli Ikkala, professeur émérite d’Aalto. « Notre matériau fonctionne un peu comme une synapse. Ce que nous avons démontré ouvre la voie à la prochaine génération de matériaux inspirés par la vie, qui s’appuieront sur le processus biologique d’adaptation, de mémoire et d’apprentissage. »

« À l’avenir, il pourrait y avoir encore plus de matériaux inspirés par des algorithmes de propriétés réalistes, bien qu’ils n’impliquent pas toute la complexité des systèmes biologiques. De tels matériaux seront au cœur de la prochaine génération de robots mous et pour les applications médicales et surveillance environnementale », ajoute Ikkala.

La recherche a été publiée dans Avancées scientifiques.