Dokážu vnímať prostredie okolo seba a reagovať naň.
Pohľad z výšky na futuristické mesto. Zdroj: iStockphoto.com
Pozrite sa von z okna alebo prejdite pohľadom po vašej izbe. Uvidíte širokú škálu materiálov – kovy, drevo, plasty a sklo. Môžete tiež vidieť živé organizmy – ľudí, rastliny a zvieratá. Navzájom tvoria dve entity, ktoré sa nám na prvý pohľad zdajú byť veľmi odlišné – jedna neživá a druhá živá.
Výskumníci vyvíjajú nástroje a nápady, z ktorých sú mnohé inšpirované mechanizmami prírody. Ich cieľom je vytvárať materiály, ktoré majú živé vlastnosti, inými slovami, také, ktoré dokážu vnímať, pohybovať sa, meniť tvar a prispôsobovať sa vzhľadom na ich prostredie. Živé materiály však budú čerpať aj z odborných znalostí iných oblastí, ako je napríklad organická a anorganická chémia, syntetická biológia, bunková biológia a fyzika.
Len si to na chvíľu predstavte! Budovy by sa mohli stať aktívnymi časťami miestnych ekosystémov, z prostredia by zadržiavali oxid uhličitý, ktorý by využívali na svoju reparáciu. Steny budov by mohli fungovať ako bioreaktory a pomocou zachyteného svetla, vody, tepla, rias, baktérií, živín a plynov by vytvárali využiteľné produkty, ako je čistená voda, energia, kyslík, obnoviteľná biomasa a teplo.
Znie vám to ako utópia? Niektoré živé materiály sa už vedci pokúšajú vyrobiť.
Prototyp samoskladajúceho robota. Zdroj: Wiss Institute
Čo sú živé materiály
Inteligentné materiály sú už súčasťou nášho každodenného života. Od hrnčekov s termochromickými pigmentmi, ktoré menia farbu, keď je v nich horúci nápoj, až po šošovky fotochromatických dioptrických okuliarov, ktoré stmavnú, keď je vonku slnko.
Zatiaľ však vidíme len špičku ľadovca toho, čo inteligentné materiály, ktoré dokážu vnímať informácie o prostredí okolo seba a podľa toho sa správať, dosiahnu v budúcnosti.
Živé materiály musia spĺňať tri základné parametre – musia byť aktívne, adaptívne a autonómne.
- Aktívny znamená, že materiál môže meniť svoje vlastnosti alebo aktívne spúšťať procesy prevzatím energie, materiálu alebo živín z prostredia.
- Adaptívny znamená, že dokáže vycítiť zmeny vo svojom prostredí a reagovať spôsobom, ktorý udrží, respektíve podporí jeho funkciu, zvyčajne s jediným vopred určeným výstupom.
- Autonómny znamená, že sa môže automaticky „rozhodovať“ prostredníctvom procesu výpočtov a následne vhodne reagovať na signály, prípadne zmeny v životnom prostredí z repertoáru možných výsledkov bez toho, aby boli monitorované alebo kontrolované.
Podľa nedávnej správy Kráľovskej spoločnosti medzi inteligentné materiály patrí okenné sklo, ktoré mení pórovitosť v reakcii na vlhkosť, oblečenie, ktoré sa prispôsobuje podmienkam prostredia alebo samoopravné betóny, ktoré v sebe vyplnia drobné praskliny. „Živé materiály by mohli mať nakoniec transformačný účinok na všetky sféry života,“ napísali autori správy.
Ako si vytlačíme 4D model
Inteligentné materiály budú musieť prekonať veľa prekážok, kým dosiahnu svoj plný potenciál vrátane toho, ako ich najlepšie vyrobiť. Posledných desať rokov skúšali vedci za týmto účelom využiť 3D tlačiarne ako potenciálny nástroj ich výroby.
Používanie 3D tlačiarní na výrobu inteligentných materiálov sa nazýva 4D tlač. Pomenovanie vytvoril Skylar Tibbits, architekt a počítačový vedec z Massachusetts Institute of Technology v USA, počas prednášky TED v roku 2013. „Štvrtá dimenzia je čas,“ hovorí Tibbits. „Tlačíme 3D veci, ktoré sa potom časom menia – rekonfigurujú, vyvíjajú a prispôsobujú.“
Jedným z prvých Tibbitsových návrhov bola 4D tlačená topánka. Jeho skupina vytlačila vopred naprogramovaný vzor polymérového atramentu na natiahnutý kus textilnej látky. Po uvoľnení z látky okamžite vyskočil 2D tvar do požadovaného 3D tvaru. Podobne skonštruovali stôl, ktorý bol plochý a po odbalení sa sám zložil. Na jeho výrobu bol na látku vytlačený atrament zložený z polyméru a pilín.
Tibbitsov tím vyvinul takzvanú rýchlu tekutú tlač, ktorá na rozdiel od klasickej 3D tlače nevytvára objekt postupne vo vrstvách, ale namiesto toho sa tekutý 3D objekt vytlačí do nádrže obsahujúcej gél. Atrament obsahuje polyméry, ktoré po vystavení ultrafialovému svetlu rýchlo tuhnú.
Okrem oblečenia a nábytku sa im podarilo vytvoriť 4D tlačený naťahovací a nafukovací silikónový prototypový materiál s meniteľnou tuhosťou. Materiál meniaci tvar v závislosti od množstva vzduchu, ktorý je do neho vtlačený svojím okolím, vyvinuli v spolupráci s automobilkou BMW.
„S BMW sme diskutovali o budúcnosti interiéru auta a skúmali sme, ako by sa materiály použité v aute, mohli pretvárať a transformovať v závislosti od rozdielu tlakov,“ hovorí Tibbits. Potenciálne využitie vidí v autosedačkách, ktoré sa zmäkčia alebo stvrdnú, čím poskytnú väčšiu bedrovú oporu, na základe toho, aký tlak vytvára sediace dieťa.
Farebné inteligentné náplasti
Nanočasticové materiály, ktoré dokážu variovať svoju farbu ako reakciu na zmenu okolia, sa môžu využívať pri zmenách teploty alebo napätia.
Tím vedcov z Čínskej akadémie vied skombinoval takéto farebné zmeny so selektívnym uvoľňovaním antibiotík, čím docielil tvorbu aktívnej a inteligentnej náplasti.
Zmena farby náplasti zo zelenej na žltú indikovala bakteriálnu infekciu. Pri žltej farbe išlo o pozitívnu reakciu a náplasť následne uvoľnila antibiotiká do napadnutého miesta. Ak však išlo o baktérie rezistentné voči antibiotikám, farba sa zmenila na červenú. V takom prípade potom lekári využijú fotodynamickú terapiu a ožiaria miesto vhodným zdrojom svetla. Jej princíp spočíva vo vzniku voľných kyslíkových radikálov, ktoré oslabujú alebo zabíjajú baktérie rezistentné na antibiotiká.
Oprava srdca
Na Univerzite Georgea Washingtona vo Washingtone DC v USA bioinžinierka Grace Zhang a jej skupina používa 4D tlač na výrobu nástrojov schopných podporovať regeneráciu tkanív v tele.
Medzi ich najväčšie úspechy patria 4D tlačené srdcové náplasti, ktoré opravujú poškodenie srdcového svalu spôsobené infarktom.
Rytmus srdcového tepu je riadený bunkami srdcového svalu – kardiomyocytmi. Vedci dlho predpokladali, že by sa dalo poškodené srdce opraviť pomocou laboratórne pestovaných kardiomyocytov, ale ukázalo sa, že ich efektívna integrácia (začlenenie) je veľkou výzvou.
„Keď srdce bije, je naozaj dlhodobo ťažké udržať bunky na požadovanom mieste,“ vysvetľuje Zhang. 4D srdcové náplasti sú preto predprogramované tak, aby držali kardiomyocyty pevne na povrchu srdca. Pozostávajú z atramentu na báze želatíny a sú vytlačené pomocou špeciálne navrhnutej stereolitografickej 3D tlačiarne. Želatína je hydrolyzovaná forma kolagénu, ktorý slúži ako skelet (oporná konštrukcia) pre bunky.
Model srdca s 3D náplasťou. Zdroj: DOI: 10.1126/sciadv.abb5067
Náplasti sú navrhnuté tak, aby vedeli meniť svoju štruktúru po natiahnutí, takže sa môžu rozširovať a sťahovať spolu so srdcom.
Srdcovú náplasť prvej generácie už vedci otestovali na myšiach s poškodením srdca. Výsledok bol fascinujúci. Aj po štyroch mesiacoch boli 4D tlačené náplasti naplnené kardiomyocytmi na svojom mieste a podporovali tvorbu srdcového svalu.
V súčasnosti je vo vývoji aj druhá generácia 4D tlačenej srdcovej náplasti. Bude vylepšená o schopnosť samostáčania po tom, čo na ňu zasvietia infračerveným svetlom. Zhang vysvetľuje, že tento mechanizmus zvlnenia zlepší schopnosť náplasti priľnúť k povrchu srdca.
Programovateľné materiály
Na rozdiel od minerálov, ktoré majú pevné štruktúry držané pohromade silnou kovalentnou alebo iónovou väzbou, molekuly v živých systémoch majú slabé, respektíve voľnejšie spojenia, ako je napríklad vodíková väzba, ktorá umožňuje molekulárnym entitám spájať sa, meniť a rozoberať.
Uvedený spôsob väzieb umožňuje perspektívne vytvoriť materiály – takzvanú programovateľnú hmotu, ktorá sa môže autonómne postaviť a rozobrať rôznymi spôsobmi.
„Prinútiť robota, aby sa autonómne zostavil a skutočne vykonal určitú funkciu, bol míľnikom, o ktorý sme sa snažili už mnoho rokov,“ hovorí doktor Rob Wood z Harvardskej univerzity.
Robot, ktorí navrhli výskumníci z Harvardského Wyss inštitútu je prvý, ktorý sa sám postaví a plní svoju funkciu bez ľudského zásahu. Dokáže sa sám zložiť a potom odkráčať. Ide o elektromechanický systém, ktorý je umiestnený v plochom plechu. Zostavenie rafinovaného dizajnu sa opiera o silu origami, starovekého japonského umenia, pri ktorom možno jeden list papiera poskladať do zložitých štruktúr.
Model obsahuje pánty, ktoré boli naprogramované tak, aby sa skladali pod špecifickými uhlami. Každý pánt má v sebe zabudované obvody, ktoré produkujú teplo na príkaz z mikrokontrolóra. Vďaka teplu sa model sám zloží v sérii niekoľkých krokov.
Keď pánty po približne štyroch minútach vychladnú, polystyrén stvrdne, čím robot stuhne a mikrokontrolór potom signalizuje robotovi, aby sa začal pohybovať rýchlosťou približne 160 metrov za hodinu. Celá akcia spotrebuje približne množstvo energie na jednu AA alkalickú batériu.
Z celého procesu konštrukcie si môžete pozrieť video.
Zdroje: Royal Society, DOI: 10.1126/sciadv.abb5067, DOI: 10.1021/acscentsci.9b01104, MIT, Chemistry World, Royal Society
