La collaboration et la compétition sont des instincts fondamentaux chez les espèces biologiques, des organismes unicellulaires les plus simples aux reptiles, poissons et primates, ainsi que les humains. Ce comportement dynamique, le résultat de millions d'années d'évolution, est difficile à reproduire dans des systèmes synthétiques. Cependant, les ingénieurs chimistes de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh ont recréé ces réponses dans un environnement de particules microscopiques, des draps, et catalyseurs, imitant efficacement les réponses de l'alimentation, combat, et fuyant.

Leurs recherches, "Collaboration et complétion entre nappes actives pour particules automotrices, " a été publié cette semaine dans Actes de l'Académie nationale des sciences . La chercheuse principale est Anna C. Balazs, la chaire John A. Swanson et professeur distingué de génie chimique et pétrolier à la Swanson School. L'auteur principal est Abhrajit Laskar, et co-auteur est Oleg E. Shklyaev, tous deux post-doctorants.

En amont de ce travail, Le Dr Balazs et al ont utilisé la modélisation informatique pour concevoir des feuilles chimiquement actives capables d'envelopper, rabat et fluage dans une microchambre remplie de fluide, tirer parti du potentiel de création de robots flexibles ou "spongieux" pour les environnements fluidiques. Pour l'article du PNAS, les chercheurs ont conçu des systèmes fluidiques qui façonnent les feuilles recouvertes de catalyseur en une forme ressemblant à un crabe avec quatre « griffes, " créant le prédateur qui peut chimiquement " chasser " sa proie particulaire.

« Alors que nous développons la robotique et les appareils intelligents du futur, il est important de comprendre les limites de l'imitation des fonctions biologiques dans les machines fabriquées par l'homme. Il est également essentiel de comprendre si les systèmes artificiels peuvent collaborer ou rivaliser pour les ressources, " expliqua le Dr Balazs. " Si nous pouvons reproduire cette interdépendance, nous pouvons aider à établir les bases pour que les robots ou autres dispositifs travaillent ensemble vers un objectif commun. »

Pour modifier ce comportement, Balazs et ses associés ont utilisé le catalyseur sur les feuilles pour convertir les réactifs en produits dans une microchambre. Cette réaction crée des variations dans la composition chimique et la densité du fluide, qui changent les feuilles bidimensionnelles en "crabes" 3-D et propulsent à la fois les crabes et les particules dans le fluide. Comme les crabes génèrent des gradients chimiques dans une zone, les particules répondent en tentant de « fuir » de cette zone, formant un système très interdépendant.

Cette interdépendance a également eu un impact sur l'environnement lorsqu'un deuxième crabe a été ajouté au fluide - une fois le réactif introduit, les deux crabes ont mimé la coopération pour "partager" des particules. Cependant, si un crabe plus gros a été introduit, il rivaliserait avec les formes plus petites pour capturer toutes les particules pour lui-même.

"Dans certains cas, le gros crabe ne peut pas attraper les petites particules, mais quand nous ajoutons plus de crabes, ils semblent collaborer comme une meute de loups, " explique le Dr Shklyaev. " De même, lorsqu'un prédateur encore plus gros pénètre dans la microchambre, la « faim » qu'il génère avec une plus grande surface catalytique dominera le comportement des plus petites nappes de prédateurs. »

Le Dr Laskar dit que la simplicité de ce système est que la seule programmation impliquée est l'introduction du réactif chimique dans le système.

« Une fois que nous avons ajouté un réactif dans la microchambre, tous les comportements biomimétiques se sont produits spontanément, " Il a dit. " Nous pouvons alors adapter la mesure dans laquelle les particules répondent aux gradients chimiques, car différentes particules réagiront de différentes manières. Ainsi, changer la propriété d'un seul type d'objet modifie l'interdépendance de l'ensemble du système."

Selon le Dr Balazs, les nouvelles découvertes indiquent la capacité de contrôler l'activité dans la microchambre dans l'espace et le temps, permettant ainsi aux feuilles de répondre à différentes commandes uniquement en changeant les réactifs ajoutés à la solution.

"Nos calculs révèlent la capacité de diriger des objets microscopiques pour effectuer des fonctions spécifiques, comme le transport de cellules ou la construction de structures complexes, ", a-t-elle déclaré. "Ces règles de conception ont le potentiel de diversifier les fonctionnalités des dispositifs microfluidiques, leur permettant d'accomplir des tâches beaucoup plus complexes."