Des chercheurs financés par l'armée américaine à l'Université Brandeis ont découvert un processus d'ingénierie des matériaux mous de nouvelle génération avec des réseaux chimiques intégrés qui imitent le comportement du tissu neural. Le matériau de rupture peut conduire à une robotique souple autonome, capteurs et actionneurs doubles pour exosquelettes mous, ou des peaux artificielles.

La recherche jette les bases d'une matière active molle futuriste avec une détection hautement distribuée et étroitement intégrée, actionnement, calcul et contrôle, a déclaré le Dr Samuel Stanton, responsable du programme Systèmes complexes et dynamiques au sein de la Direction des sciences de l'ingénieur au Bureau de recherche de l'Armée, un élément du laboratoire de recherche de l'armée américaine, situé au Research Triangle Park à Durham, Caroline du Nord.

ARO finance la recherche pour initier des découvertes scientifiques et technologiques de grande envergure dans des organisations extra-muros, les établissements d'enseignement, les organisations à but non lucratif et l'industrie privée qui peuvent rendre les futurs soldats américains plus forts et plus sûrs.

L'équipe de recherche, dirigé par le professeur de physique Dr. Seth Fraden de l'Université Brandeis, s'est inspiré du mouvement sinueux fascinant d'une anguille bleue nageant et de l'écart étonnamment grand entre la façon dont les systèmes naturels se déplacent et l'absence d'un mouvement aussi coordonné et fluide dans les systèmes artificiels.

Nos intérêts de recherche se situent carrément à l'intersection de la physique, chimie, biologie et science des matériaux, " a déclaré Fraden. " Notre laboratoire est interdisciplinaire, mais nous sommes également impliqués dans plusieurs projets multi-investigateurs."

Le travail de Fraden a cherché à répondre à des questions clés, comme pourquoi y a-t-il un tel vide entre l'animé et l'inanimé que nous ne confondons jamais les deux, et si les ingénieurs pouvaient créer des matériaux avec des attributs similaires aux organismes vivants, mais construit à partir d'objets inanimés, pouvons-nous le faire en utilisant uniquement des produits chimiques et en évitant l'utilisation de moteurs et d'électronique ?

En regardant plus profondément, Fraden a étudié comment un type de réseau neuronal présent dans l'anguille, nommé le générateur de motif central, produit des vagues d'impulsions chimiques qui se propagent le long de la colonne vertébrale de l'anguille pour entraîner rythmiquement les muscles nageurs.

Le laboratoire de Fraden a relevé le défi de concevoir un matériau imitant le générateur en construisant d'abord un dispositif de contrôle qui produit les mêmes modèles d'activation neuronale que les biologistes ont observés. Là, ils ont créé un système de contrôle qui fonctionne à l'énergie chimique, comme on le fait en biologie, sans recourir à aucun ordinateur ou dispositif électromécanique, qui sont les caractéristiques de l'homme, technologie robotique dure.

Une percée a été réalisée lorsque Fraden et son équipe ont réalisé que la même dynamique CPG pouvait être capturée sur une plate-forme non biologique s'ils utilisaient un processus chimique oscillant bien connu connu sous le nom de réaction de Belousov-Zhabotinsky. Le laboratoire a développé des techniques de fabrication de pointe pour l'ingénierie des réseaux chimiques artificiels de matériaux mous à l'échelle nanométrique qui, tout à fait, serait capable de produire une grande variété de motifs. Les réseaux chimiques robustes qui en ont résulté ont produit des motifs dynamiques distribués identiques au générateur de motifs central de l'anguille.

Fraden a noté que « les principes d'ingénierie qu'ils ont identifiés sont généraux et peuvent être appliqués pour concevoir toute une gamme d'autres générateurs de motifs centraux, tels que ceux responsables d'autres fonctions autonomes, comme l'allure d'un cheval, par exemple, marche, petit galop, au trot et au galop."

La recherche apparaît comme l'article de couverture du numéro du 7 mars d'un journal britannique, Laboratoire sur puce , qui est une revue scientifique à comité de lecture publiant des articles de recherche et de synthèse sur tout aspect de la miniaturisation à l'échelle micro et nano. Le travail s'est distingué comme l'un des "articles chauds" de la revue en raison de ses scores particulièrement élevés obtenus dans le processus d'examen scientifique.

« Permettre une percée dans l'augmentation robotique des manœuvres et des opérations militaires à cadence élevée nécessite de perturber la notion de système intelligent en tant que plate-forme multicorps rigide optimisée pour le lent, mouvement soigneusement planifié dans un terrain dégagé, " Stanton a déclaré. " Des recherches fondamentales sont nécessaires pour transposer les matériaux intelligents du paradigme actuel des propriétés fixes et de la mécanique avec un contrôle extrinsèque et centralisé à un nouveau paradigme de composites actifs souples avec une fonctionnalité dynamique sans précédent réalisée grâce à l'intégration maximale du substrat de étroitement intégrés, décentralisé, et la détection intrinsèque (basée sur les matériaux) hautement distribuée, actionnement, et contrôle."

Comme prochaine étape, Le laboratoire de Fraden relèvera le défi de transférer les informations codées dans les modèles dynamiques des réseaux chimiques pour créer une réponse mécanique ciblée au sein d'un nouveau gel chimiomécanique. Cela pourrait faire passer la recherche d'un matériau artificiel imitant le tissu neuronal à un tissu artificiel imitant maintenant le tissu neuromusculaire.