06.12.2019 - Cell Press

Wie Pavlovs Hund lernt dieser Thermoplast einen neuen Trick: Laufen

Forscher in Finnland "trainieren" Kunststoffteile, um unter dem Einfluss von Lichts zu gehen. Mit der entwickelten Methode lernt ein synthetischer Aktuator zum ersten Mal, auf der Grundlage seiner bisherigen Erfahrungen ohne Computerprogrammierung neue "Tricks" zu machen.

Diese Kunststoffe, die aus thermoreaktiven Flüssigkristallpolymernetzwerken und einer Farbstoffschicht bestehen, sind weiche Aktuatoren, die Energie in mechanische Bewegung umwandeln können. Zunächst reagiert der Aktuator nur auf Wärme, aber indem er Licht mit Wärme verbindet, lernt er, auf Licht zu reagieren. Als Reaktion darauf biegt sich das Stellglied ebenfalls, wenn ein Mensch seinen Zeigefinger krümmt. Durch die periodische Bestrahlung des Aktuators "geht" er wie eine Raupe mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s, etwa im gleichen Tempo wie eine Schnecke.

"Unsere Forschung stellt im Wesentlichen die Frage, ob ein unbelebtes Material irgendwie in einem sehr vereinfachten Sinne lernen kann", sagt Senior-Autor Arri Priimägi von der Universität Tampere. "Mein Kollege, Professor Olli Ikkala von der Aalto University, stellte die Frage. Können Materialien lernen, und was bedeutet es, wenn Materialien lernen würden? Wir haben uns dann in dieser Forschung zusammengeschlossen, um Roboter zu bauen, die irgendwie neue Tricks lernen würden." Das Forschungsteam umfasst auch die Postdocs Hao Zeng, Tampere University und Hang Zhang, Aalto University.

Der Konditionierungsprozess, der Licht mit Wärme verbindet, lässt den Farbstoff auf der Oberfläche durch das Stellglied diffundieren und blau werden. Das Phänomen erhöht die allgemeine Lichtabsorption, was den photothermischen Effekt verstärkt und die Temperatur des Stellglieds erhöht. Dann "lernt" er, sich bei Bestrahlung zu beugen.

"Diese Studie, die wir gemacht haben, wurde von Pavlovs Hundeexperiment inspiriert", sagt Priimägi. Im Experiment speichert ein Hund als Reaktion auf das Sehen von Nahrung. Pavlov läutete dann die Glocke, bevor er dem Hund Futter gab. Nach ein paar Wiederholungen verband der Hund das Futter mit der Glocke und fing an, beim Hören der Glocke zu speicheln. "Wenn Sie an unser System denken, entspricht die Wärme der Nahrung, und das Licht der Glocke in Pavlovs Experiment."

"Viele werden sagen, dass wir diese Analogie zu weit treiben", sagt Priimägi. "In gewisser Weise haben diese Menschen Recht, denn im Vergleich zu biologischen Systemen ist das von uns untersuchte Material sehr einfach und begrenzt. Aber unter richtigen Umständen gilt die Analogie." Der nächste Schritt für das Team besteht darin, die Komplexität und Kontrollierbarkeit der Systeme zu erhöhen, um die Grenzen der Analogien zu finden, die zu biologischen Systemen gezogen werden können. "Wir wollen Fragen stellen, die es uns vielleicht ermöglichen, unbelebte Materialien aus einem neuen Licht zu betrachten."

Aber neben dem Gehen können die Systeme auch verschiedene Lichtwellenlängen "erkennen" und darauf reagieren, die der Beschichtung ihres Farbstoffs entsprechen. Diese Eigenschaft macht das Material zu einem abstimmbaren, fernsteuerbaren, weichen Mikroroboter, einem idealen Material für biomedizinische Anwendungen.

"Ich denke, es gibt viele coole Aspekte. Diese ferngesteuerten Flüssigkristallnetze verhalten sich wie kleine künstliche Muskeln", sagt Priimägi. "Ich hoffe und glaube, dass es viele Möglichkeiten gibt, wie sie in Zukunft dem biomedizinischen Bereich, unter anderem der Photonik, zugute kommen können."

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