環境外乱に対応し、自ら温度を調節するシステム The system regulates its own temperature in response to environmental disturbances
2022-11-28 フィンランド・アールト大学
研究者らは、生体系と同様の方法で状態を維持する材料システムを開発した。この新しいシステムは、性質の異なる2つのゲルを横に並べたものである。ゲル間の相互作用により、このシステムは環境の変化に恒常的に反応し、レーザーで刺激するとその温度を狭い範囲に保つことができる。
レーザーは、1つ目のゲルを通して照射され、鏡で2つ目のゲルに跳ね返され、そこで浮遊金ナノ粒子を加熱する。その熱は、2番目のゲルから1番目のゲルに伝わり、温度を上昇させる。最初のゲルは、ある温度以下のときだけ透明で、それ以上高くなると不透明になる。この変化により、レーザーが鏡に届かなくなり、2つ目のゲルが加熱される。その後、2つのゲルは冷却され、1つ目のゲルが再び透明になると、レーザーが通過し、再び加熱が始まる。
温度が高いとレーザーは遮断され、金ナノ粒子を加熱することができない。一方、温度が低いと、最初のゲルが透明になるので、レーザーが透過して金粒子を加熱することができる。
研究者たちは次に、このフィードバックシステムの上に、タッチに反応するトリガーを構築した。そのために、温度変化に反応する機械的な部品を追加した。ゲルシステムに適切な方法で触れると、ゲルシステムが定常状態から押し出され、その結果生じる温度変化により機械部品が変形する。その後、すべてが元の状態に戻る。
研究者たちの人工材料システムは、低周波と高周波のタッチを識別することができる。
＜関連情報＞
- https://www.aalto.fi/en/news/a-life-inspired-system-dynamically-adjusts-to-its-environment
- https://www.nature.com/articles/s41565-022-01241-x#citeas
恒常性振動と散逸性シグナル伝達を有するフィードバック制御ハイドロゲル Feedback-controlled hydrogels with homeostatic oscillations and dissipative signal transduction
Hang Zhang,Hao Zeng,Amanda Eklund,Hongshuang Guo,Arri Priimagi & Olli Ikkala
Nature Nanotechnology Published:28 November 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-022-01241-x
Abstract
Driving systems out of equilibrium under feedback control is characteristic for living systems, where homeostasis and dissipative signal transduction facilitate complex responses. This feature not only inspires dissipative dynamic functionalities in synthetic systems but also poses great challenges in designing novel pathways. Here we report feedback-controlled systems comprising two coupled hydrogels driven by constant light, where the system can be tuned to undergo stable homeostatic self-oscillations or damped steady states of temperature. We demonstrate that stable temperature oscillations can be utilized for dynamic colours and cargo transport, whereas damped steady states enable signal transduction pathways. Here mechanical triggers cause temperature changes that lead to responses such as bending motions inspired by the single-touch mechanoresponse in Mimosa pudica and the frequency-gated snapping motion inspired by the plant arithmetic in the Venus flytrap. The proposed concepts suggest generalizable feedback pathways for dissipative dynamic materials and interactive soft robotics.
