A mechanically embodied, double-network hydrogel adaptive memory element for reprogrammable actuation

Lebewesen reagieren nicht nur auf die Welt; sie erinnern sich an sie. Ein Muskel, der trainiert wurde, reagiert anders auf eine neue Belastung als ein Muskel, der geruht hat, und ein Nervensystem lernt, indem es die Art und Weise verändert, wie es zukünftige Signale basierend auf vergangenen Erfahrungen verarbeitet. Diese Fähigkeit, einen internen Zustand zu speichern, der das Verhalten eines Materials verändert, ist ein Kennzeichen der Biologie, doch die meisten von Menschen geschaffenen Maschinen besitzen dies nicht. Ein synthetischer Roboterarm beispielsweise ist mit einem festen Satz von Anweisungen gebaut: Drücke einen Knopf, und er bewegt sich eine bestimmte Distanz. Er lernt nichts aus der Bewegung, noch verändert er sein Verhalten basierend darauf, wie oft er sich zuvor bewegt hat. Wissenschaftler suchen schon lange danach, „physische Intelligenz“ in weiche Materialien einzubauen, um Geräte zu schaffen, die fühlen, entscheiden und handeln können, ohne einen zentralen Computer zu benötigen. Die Herausforderung bestand darin, diese Materialien dazu zu bringen, sich ihre Geschichte nicht nur als temporäres Echo zu merken, sondern als einen stabilen, umschreibbaren Zustand, der bewusst verändert werden kann, ganz so wie das Schreiben und Löschen einer Notiz auf einem Blatt Papier.

Forscher der Universität Bristol und der Australian National University haben ein weiches, wasserbasiertes Material entwickelt, das diese Art von mechanischem Gedächtnis erreicht. Sie erschufen einen Hydrogel-Aktuator, einen kleinen Stab aus einer geleeartigen Substanz, der sich bei Lichteinfall biegt. Was dieses Material einzigartig macht, ist die Kombination zweier unterschiedlicher Verhaltensweisen in einer einzigen Struktur. Ein Teil des Gels reagiert sofort auf Licht, biegt sich schnell und kehrt dann langsam zu seiner ursprünglichen Form zurück, ähnlich wie eine Feder, die mit der Zeit ihre Spannung verliert. Der andere Teil des Gels bewahrt eine Erinnerung an das Licht, das es gesehen hat, indem er seine interne Steifigkeit auf eine Weise verändert, die über Tage anhält. Durch die Verknüpfung dieser beiden Teile bauten die Forscher ein Gerät, das darauf trainiert werden kann, mehr oder weniger als gewöhnlich zu biegen, und anschließend darauf trainiert werden kann, zu seinem ursprünglichen Verhalten zurückzukehren – und das alles, während es feucht und flexibel bleibt.

Das Material besteht aus zwei miteinander verwobenen Molekülnetzwerken. Das erste Netzwerk enthält Goldnanopartikel und ein temperatursensitives Polymer. Wenn ein Laser auf diesen Teil des Gels scheint, heizen sich die Goldpartikel auf, was dazu führt, dass das Polymer schrumpft und der Stab sich biegt. Diese Reaktion ist schnell und reversibel; sobald das Licht ausgeschaltet wird, kühlt das Gel ab und entspannt sich langsam wieder zu seiner geraden Form. Wenn die Impulse wiederholt mit langen Pausen erfolgen, kehrt das Gel jedes Mal in seine Ausgangsposition zurück. Wenn die Impulse jedoch schnell aufeinanderfolgen, hat das Gel nicht genug Zeit, um sich vollständig zu entspannen, und die Biegung summiert sich leicht. Dieses Verhalten wird als „Leaky Integrator“ bezeichnet, wobei das Material kürzlich erfolgte Ereignisse kurzzeitig erinnert, sie aber schließlich vergisst, wenn die Wärme abkühlt und das Wasser im Inneren des Gels sich neu verteilt.

Um dem Gel ein dauerhaftes Gedächtnis zu verleihen, fügten die Forscher ein zweites Netzwerk hinzu, das ein spezielles Molekül namens Azobenzol enthält. Dieses Molekül kann je nach der Farbe des empfangenen Lichts zwischen zwei verschiedenen Formen, oder Isomeren, wechseln. Eine Form ist stabil und steif, während die andere weniger stabil und weicher ist. Entscheidend ist, dass das Molekül, sobald es in die steife Form wechselt, sehr lange in diesem Zustand verbleibt, sofern es nicht durch eine spezifische Lichtfarbe dazu gebracht wird, wieder in die andere Form zu wechseln. Als die Forscher ihr Doppelnetzwerk-Gel konstruierten, stellten sie fest, dass die Steifigkeit des Gelenks, an dem sich der Stab biegt, davon abhing, in welcher Form sich die Azobenzol-Moleküle befanden. Wenn die Moleküle in der steifen Form waren, bog sich das Gel bei Bestrahlung mit dem Laser stärker. Wenn sie in der weichen Form waren, bog sich das Gel weniger stark.

Das Team demonstrierte, dass sie Licht nutzen konnten, um ein neues Verhalten in das Gel zu „schreiben“. Indem sie einen blauen Laser auf das Gelenk eines Gels strahlten, das sich anfangs in einem weichen Zustand befand, zwangen sie die Moleküle in den steifen Zustand. Nach diesem Training bog sich das Gel bei einem Test mit einem Standard-Laserpuls deutlich stärker, obwohl der Testpuls identisch mit denen war, die zuvor verwendet worden waren. Diese Zunahme der Biegung war kein temporärer Effekt; sie hielt über Tage an. Die Forscher zeigten dann, dass dieses Gedächtnis auch gelöscht werden konnte. Durch das Bestrahlen des Gelenks mit einem grünen Laser für eine Stunde wechselten sie die Moleküle zurück in den weichen Zustand, und das Gel kehrte zu seinem ursprünglichen, weniger reaktiven Verhalten zurück. Sie konnten den steifen Zustand anschließend erneut schreiben, was bewies, dass das Material wiederholt programmiert werden kann, ohne zu degradieren oder auszutrocknen.

Diese Arbeit widerlegt die Vorstellung, dass die Veränderung des Verhaltens durch einfache Ermüdung oder Beschädigung des Materials verursacht wurde. Das Gel wurde nicht einfach nur müde und hörte auf, sich zu biegen; es änderte aktiv die Art und Weise, wie es auf denselben Input reagierte. Es zeigte auch, dass das Gedächtnis nicht bloß eine feste Form war, die durch Austrocknung gehalten wurde, wie es bei einigen anderen „Formgedächtnis“-Materialien der Fall ist. Stattdessen wurde das Gedächtnis im chemischen Zustand der Moleküle selbst gespeichert, was die mechanischen Eigenschaften des nassen Gels während seines Betriebs veränderte. Die Forscher fanden heraus, dass der Effekt asymmetrisch war: Das Umschalten der Moleküle in den steifen Zustand erhöhte die Biegung, aber das Zurückschalten in den weichen Zustand verringerte sie nicht auf vollkommen symmetrische Weise. Dies deutet darauf hin, dass die Änderung der Steifigkeit beeinflusst, wie die Kraft durch die Dicke des Gels übertragen wird, was eine nicht-lineare Reaktion zur Folge hat, die von der Geschichte des Materials abhängt.

Die Bedeutung dieser Entdeckung liegt darin, wie sie die Art und Weise verändert, wie wir über weiche Maschinen denken. Anstatt einen Roboter zu bauen, der auf externe Sensoren und Computer angewiesen ist, um zu entscheiden, wie er sich bewegen soll, verkörpert dieses Material den Entscheidungsprozess innerhalb seiner eigenen Struktur. Es kann durch Tun lernen, seine Reaktion basierend auf seinen Erfahrungen anpassen und dieses Verhalten auch wieder verlernen, wenn sich die Situation ändert. Die Forscher beschreiben dies als ein „memristives“ System, ein Begriff aus der Elektronik, der eine Komponente beschreibt, deren Widerstand von ihrer Historie abhängt. In diesem Fall ändert sich der mechanische Widerstand des Gels basierend auf dem Licht, das es absorbiert hat. Durch die Kopplung eines schnellen, reaktiven Systems mit einem langsamen, beständigen System haben die Forscher ein Material geschaffen, das Informationen speichern und diese nutzen kann, um seine zukünftigen Handlungen zu modifizieren. Dieser Ansatz bietet einen neuen Weg für adaptive weiche Maschinen, die in unvorhersehbaren Umgebungen operieren können, indem sie aus ihren Interaktionen lernen und ihr Verhalten anpassen, ohne dass komplexe externe Kontrollsysteme erforderlich sind.