24. Januar 2024
(Nanowerk-Scheinwerfer) Lebende Organismen nutzen hochentwickelte chemische Signale, um Informationen auszutauschen, Partner zu finden und Territorien zu verteidigen. Die Nutzung ähnlicher Fähigkeiten könnte die Wahrnehmung, Zusammenarbeit und Funktionalität von Robotern revolutionieren. Frühere Versuche zur künstlichen chemischen Kommunikation hatten jedoch ihre Grenzen: Den Materialien fehlten integrierte Sende-, Empfangs- und Erfassungsfähigkeiten; Die Kontrolle über den Zeitpunkt und die Mengen der chemischen Freisetzung war unzureichend; Beschränkungen des Übertragungsbereichs behinderten praktische Anwendungen; Kaskadierende mehrstufige Reaktionen waren nicht realisierbar. Eine dauerhafte Herausforderung besteht darin, anpassungsfähige Materialien zu entwickeln, die den biologischen Einfallsreichtum in verschiedenen Umgebungen nachahmen. Jüngste Durchbrüche bei Flüssigkristall-Polymer-Netzwerken (LCNs) sind nun vielversprechend bei der Überwindung dieser Hindernisse. LCNs sind programmierbare intelligente Materialien, die ihre Form ändern, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Berichterstattung über ihre Ergebnisse in Fortgeschrittene Werkstoffe („Erleichterung der Interskin-Kommunikation in künstlichen Polymersystemen durch Flüssigkeitstransfer“) hat ein Forschungsteam der Technischen Universität Eindhoven LCN-Schichten geschaffen, die Haut nachahmen. Diese künstlichen Häute können bei Bedarf chemische Signale senden, empfangen und wahrnehmen. Die Materialien weisen eine verbesserte dynamische Kontrolle, Signalvielfalt, reaktive Funktionalität und sensorisches Feedback auf.
Schematische Darstellung des Prozesses der chemischen Kommunikation, einschließlich Informationsübertragung, -empfang und -wahrnehmung. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Der Ansatz des Teams integriert die durch Licht ausgelöste chemische Freisetzung mit der Erkennung elektrischer Ladung. Die LCN-Hautschichten enthalten speziell entwickelte Poren, die mit einer Lösung gefüllt sind, die ionische Verbindungen enthält. Die Einwirkung von UV-Licht führt dazu, dass sich die Haut zusammenzieht und Flüssigkeit durch die Poren auf eine andere nahegelegene Oberfläche drückt. Bei diesem Übertragungsvorgang leuchtet ein LED-Licht auf, das die erfolgreiche Übertragung signalisiert. Die abgegebene Flüssigkeit verändert auch den elektrisch gemessenen Widerstand auf der aufnehmenden Haut. Die Widerstandswerte korrelieren mit den übertragenen Flüssigkeitsvolumina und ermöglichen so die Erfassung exakter chemischer Freisetzungsmengen. Die intelligenten Hautschichten des Teams nutzen ein Flüssigkristallpolymer-Netzwerkmaterial (LCN), das mit photoresponsiven Azobenzolmolekülen gemischt ist. Das LCN enthält speziell entwickelte nanoskalige Poren, die mit ionischen Lösungen infundiert sind. Durch die Einwirkung von ultraviolettem Licht wird die cis-trans-Molekülkonfiguration von Azobenzol umgedreht, wodurch die ausgerichteten LCN-Moleküle ihre Ordnung verlieren. Diese Kontraktion verengt die Poren und pumpt Flüssigkeit heraus. Zu den verwendeten Lösungen gehören Polyethylenglykol, Ethylenglykol oder in Wasser gelöste ionische Salze.
Herstellungsverfahren der LCN-Beschichtung auf einem Glassubstrat. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Die künstliche Haut ermöglicht auf einzigartige Weise unmittelbare Polymerreaktionen. Zur Demonstration füllten die Forscher separate LCN-Schichten mit Lösungen von Kaliumthiocyanat (KSCN) und Eisen(III)-chlorid (FeCl3). Der Kontakt löste eine sofortige Farbumschlagsreaktion zwischen den beiden Chemikalien aus. Wenn Fe3+-Ionen mit übertragenen SCN--Ionen interagieren, entsteht ein leuchtend roter Eisen(III)-thiocyanat-Koordinationskomplex. Dieser visuelle Indikator überprüft sowohl die Flüssigkeitsübertragungskapazität als auch das Reaktionspotential des LCN.
Hautschichten können zwischen Sende- und Empfangsmodus wechseln. Nach der Aufnahme der Lösung geben die Häute bei Beleuchtung ihre Flüssigkeit zurück, wodurch eine bidirektionale Übertragung erfolgt. Die Technologie ermöglicht mehrstufige Kaskadenreaktionen über Ketten von drei oder mehr reaktiven Häuten. Die variable Belichtungszeit ermöglicht eine präzise Kontrolle der chemischen Freisetzungsraten von Sekundenbruchteilen bis hin zu Minuten. Es können unterschiedliche Hautporengrößen hergestellt werden, wodurch die Materialkompatibilität mit verschiedenen organischen und anorganischen Verbindungen optimiert wird.
Die Materialien zeigen eine hohe Effizienz und Genauigkeit während iterativer Sende-/Empfangszyklen. In Versuchen sendete eine anfängliche Haut A 60 % ihrer Lösung an Empfänger B, wenn sie durch UV-Licht ausgelöst wurde. Haut A übermittelte dann weitere 19 % Flüssigkeit an einen zweiten Empfänger B1. Zukünftige Verbesserungen der Oberflächentechnik zielen darauf ab, die Übertragungsausbeute weiter zu steigern.
Einzigartig ist, dass die künstlichen Hautschichten auch eine unmittelbare reaktive Chemie ermöglichen. Das Team füllte getrennte Häute mit Kaliumthiocyanatlösung und Eisen(III)-chloridlösung. Der Kontakt löste eine sofortige Farbumschlagsreaktion aus. Durch die räumlich gemusterte Belichtung durch Fotomasken wurden während der Übertragung entsprechende Formen auf die Empfangsoberflächen gedruckt. Dieses Maß an Signalspezifität ist vielversprechend für komplexe Kommunikationsprotokolle.
Die Forscher beleuchten potenzielle Anwendungen, darunter Mensch-Roboter-Schnittstellen, Multi-Agenten-Koordination, Arzneimittelproduktion, chemische Analyse, Mikrofluidik, programmierbare Oberflächen und intelligente Sensornetzwerke. Die Technologie bietet eine Grundlage für Systeme der künstlichen Intelligenz, um chemische Umweltsignaturen zu interpretieren und darauf zu reagieren. Adaptive Reaktionsfunktionen könnten es Roboterteams ermöglichen, durch den Austausch von Situationsaktualisierungen, Verhaltenshinweisen und Aufgabenzuweisungen zusammenzuarbeiten.
Die Studie zeigt wichtige Innovationen auf, die erforderlich sind, um intrinsische biologische Prozesse mit synthetischen Materialien nachzubilden. Die Realisierung umfassender praktischer Umsetzungen bedarf jedoch noch weiterer Untersuchungen. Die derzeitigen technologischen Einschränkungen sind zwar vielversprechend, müssen jedoch vor einer breiten kommerziellen Einführung angegangen werden.
Die laufende Forschung zielt darauf ab, Herstellungstechniken und Porenkonfigurationen zu optimieren, um Produktionsausbeuten von über 60 % zu maximieren. Das Team erforscht alternative fotoresponsive Moleküle, um die Steuerungspräzision und Modulationsraten zu verbessern.
Die Untersuchung längerfristiger chemischer Stabilität, Materialabbauarten, Toxizitätsschwellenwerte und Biokompatibilitätsfaktoren wird für Anwendungen mit menschlichen Interaktionen, medizinischen Geräten und der Lebensmittelproduktion von entscheidender Bedeutung sein. Auch die Analyse von Sicherheitsrisiken und Umweltauswirkungen ist von entscheidender Bedeutung. Die Untersuchung alternativer Beschichtungssubstrate wie Elastomere würde die Integration von Technologie in tragbare Geräte und Roboteraußenseiten ermöglichen. Um die reale Betriebsdynamik bei Schwankungen von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Atmosphärenchemie zu verstehen, sind größere Testumgebungen erforderlich.
Darüber hinaus ist eine vollständig dezentralisierte Koordination mehrerer Wirkstoffe durch chemische Signale weiterhin theoretisch realisierbar, experimentell jedoch nicht validiert. Die Schaffung komplexer Verhaltensweisen mehrerer Roboter, die mit natürlichen Systemen wie Ameisenkolonien vergleichbar sind, durch künstliche Pheromone bleibt ein Ziel. Die Untersuchung der Dynamik kollektiver Gruppenentscheidungen muss der Hypothese über mögliche gesellschaftliche Auswirkungen vorausgehen.
Eine weitere interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftlern, Robotikern und Informatikern ist entscheidend, um diese offenen Herausforderungen anzugehen. Kreative Designansätze, die Erkenntnisse aus bioinspirierter Technik, adaptiver Fertigung und verkörperter KI kombinieren, bieten Wege zur Verwirklichung ehrgeiziger Ziele.
Schematische Darstellung des Prozesses der chemischen Kommunikation, einschließlich Informationsübertragung, -empfang und -wahrnehmung. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Der Ansatz des Teams integriert die durch Licht ausgelöste chemische Freisetzung mit der Erkennung elektrischer Ladung. Die LCN-Hautschichten enthalten speziell entwickelte Poren, die mit einer Lösung gefüllt sind, die ionische Verbindungen enthält. Die Einwirkung von UV-Licht führt dazu, dass sich die Haut zusammenzieht und Flüssigkeit durch die Poren auf eine andere nahegelegene Oberfläche drückt. Bei diesem Übertragungsvorgang leuchtet ein LED-Licht auf, das die erfolgreiche Übertragung signalisiert. Die abgegebene Flüssigkeit verändert auch den elektrisch gemessenen Widerstand auf der aufnehmenden Haut. Die Widerstandswerte korrelieren mit den übertragenen Flüssigkeitsvolumina und ermöglichen so die Erfassung exakter chemischer Freisetzungsmengen. Die intelligenten Hautschichten des Teams nutzen ein Flüssigkristallpolymer-Netzwerkmaterial (LCN), das mit photoresponsiven Azobenzolmolekülen gemischt ist. Das LCN enthält speziell entwickelte nanoskalige Poren, die mit ionischen Lösungen infundiert sind. Durch die Einwirkung von ultraviolettem Licht wird die cis-trans-Molekülkonfiguration von Azobenzol umgedreht, wodurch die ausgerichteten LCN-Moleküle ihre Ordnung verlieren. Diese Kontraktion verengt die Poren und pumpt Flüssigkeit heraus. Zu den verwendeten Lösungen gehören Polyethylenglykol, Ethylenglykol oder in Wasser gelöste ionische Salze.
Herstellungsverfahren der LCN-Beschichtung auf einem Glassubstrat. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Die künstliche Haut ermöglicht auf einzigartige Weise unmittelbare Polymerreaktionen. Zur Demonstration füllten die Forscher separate LCN-Schichten mit Lösungen von Kaliumthiocyanat (KSCN) und Eisen(III)-chlorid (FeCl3). Der Kontakt löste eine sofortige Farbumschlagsreaktion zwischen den beiden Chemikalien aus. Wenn Fe3+-Ionen mit übertragenen SCN--Ionen interagieren, entsteht ein leuchtend roter Eisen(III)-thiocyanat-Koordinationskomplex. Dieser visuelle Indikator überprüft sowohl die Flüssigkeitsübertragungskapazität als auch das Reaktionspotential des LCN.
Hautschichten können zwischen Sende- und Empfangsmodus wechseln. Nach der Aufnahme der Lösung geben die Häute bei Beleuchtung ihre Flüssigkeit zurück, wodurch eine bidirektionale Übertragung erfolgt. Die Technologie ermöglicht mehrstufige Kaskadenreaktionen über Ketten von drei oder mehr reaktiven Häuten. Die variable Belichtungszeit ermöglicht eine präzise Kontrolle der chemischen Freisetzungsraten von Sekundenbruchteilen bis hin zu Minuten. Es können unterschiedliche Hautporengrößen hergestellt werden, wodurch die Materialkompatibilität mit verschiedenen organischen und anorganischen Verbindungen optimiert wird.
Die Materialien zeigen eine hohe Effizienz und Genauigkeit während iterativer Sende-/Empfangszyklen. In Versuchen sendete eine anfängliche Haut A 60 % ihrer Lösung an Empfänger B, wenn sie durch UV-Licht ausgelöst wurde. Haut A übermittelte dann weitere 19 % Flüssigkeit an einen zweiten Empfänger B1. Zukünftige Verbesserungen der Oberflächentechnik zielen darauf ab, die Übertragungsausbeute weiter zu steigern.
Einzigartig ist, dass die künstlichen Hautschichten auch eine unmittelbare reaktive Chemie ermöglichen. Das Team füllte getrennte Häute mit Kaliumthiocyanatlösung und Eisen(III)-chloridlösung. Der Kontakt löste eine sofortige Farbumschlagsreaktion aus. Durch die räumlich gemusterte Belichtung durch Fotomasken wurden während der Übertragung entsprechende Formen auf die Empfangsoberflächen gedruckt. Dieses Maß an Signalspezifität ist vielversprechend für komplexe Kommunikationsprotokolle.
Die Forscher beleuchten potenzielle Anwendungen, darunter Mensch-Roboter-Schnittstellen, Multi-Agenten-Koordination, Arzneimittelproduktion, chemische Analyse, Mikrofluidik, programmierbare Oberflächen und intelligente Sensornetzwerke. Die Technologie bietet eine Grundlage für Systeme der künstlichen Intelligenz, um chemische Umweltsignaturen zu interpretieren und darauf zu reagieren. Adaptive Reaktionsfunktionen könnten es Roboterteams ermöglichen, durch den Austausch von Situationsaktualisierungen, Verhaltenshinweisen und Aufgabenzuweisungen zusammenzuarbeiten.
Die Studie zeigt wichtige Innovationen auf, die erforderlich sind, um intrinsische biologische Prozesse mit synthetischen Materialien nachzubilden. Die Realisierung umfassender praktischer Umsetzungen bedarf jedoch noch weiterer Untersuchungen. Die derzeitigen technologischen Einschränkungen sind zwar vielversprechend, müssen jedoch vor einer breiten kommerziellen Einführung angegangen werden.
Die laufende Forschung zielt darauf ab, Herstellungstechniken und Porenkonfigurationen zu optimieren, um Produktionsausbeuten von über 60 % zu maximieren. Das Team erforscht alternative fotoresponsive Moleküle, um die Steuerungspräzision und Modulationsraten zu verbessern.
Die Untersuchung längerfristiger chemischer Stabilität, Materialabbauarten, Toxizitätsschwellenwerte und Biokompatibilitätsfaktoren wird für Anwendungen mit menschlichen Interaktionen, medizinischen Geräten und der Lebensmittelproduktion von entscheidender Bedeutung sein. Auch die Analyse von Sicherheitsrisiken und Umweltauswirkungen ist von entscheidender Bedeutung. Die Untersuchung alternativer Beschichtungssubstrate wie Elastomere würde die Integration von Technologie in tragbare Geräte und Roboteraußenseiten ermöglichen. Um die reale Betriebsdynamik bei Schwankungen von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Atmosphärenchemie zu verstehen, sind größere Testumgebungen erforderlich.
Darüber hinaus ist eine vollständig dezentralisierte Koordination mehrerer Wirkstoffe durch chemische Signale weiterhin theoretisch realisierbar, experimentell jedoch nicht validiert. Die Schaffung komplexer Verhaltensweisen mehrerer Roboter, die mit natürlichen Systemen wie Ameisenkolonien vergleichbar sind, durch künstliche Pheromone bleibt ein Ziel. Die Untersuchung der Dynamik kollektiver Gruppenentscheidungen muss der Hypothese über mögliche gesellschaftliche Auswirkungen vorausgehen.
Eine weitere interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftlern, Robotikern und Informatikern ist entscheidend, um diese offenen Herausforderungen anzugehen. Kreative Designansätze, die Erkenntnisse aus bioinspirierter Technik, adaptiver Fertigung und verkörperter KI kombinieren, bieten Wege zur Verwirklichung ehrgeiziger Ziele.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64490.php
