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Os pesquisadores desenvolveram um sistema sintético que responde às mudanças ambientais da mesma forma que os organismos vivos, usando um loop de feedback para manter suas condições internas. Isso não apenas mantém as condições do material estáveis, mas também possibilita a construção de mecanismos que reagem dinamicamente ao seu ambiente, uma característica importante para materiais interativos e robótica leve.
Os sistemas vivos, desde células individuais até organismos, usam sistemas de feedback para manter suas condições. Por exemplo, suamos para esfriar quando estamos muito quentes, e uma variedade de sistemas trabalha para manter nossa pressão sanguínea e química na faixa certa. Esses sistemas homeostáticos tornam os organismos vivos robustos, permitindo-lhes lidar com as mudanças em seu ambiente. Embora o feedback seja importante em alguns sistemas artificiais, como os termostatos, eles não têm a adaptabilidade dinâmica ou a robustez dos sistemas vivos homeostáticos.
Agora, pesquisadores da Aalto University e da Tampere University desenvolveram um sistema de materiais que mantém seu estado de maneira semelhante aos sistemas vivos. O novo sistema consiste em dois géis lado a lado com propriedades diferentes. As interações entre os géis fazem com que o sistema responda homeostaticamente às mudanças ambientais, mantendo sua temperatura dentro de uma faixa estreita quando estimulado por um laser.
“Os tecidos dos organismos vivos são tipicamente macios, elásticos e deformáveis”, diz Hang Zhang, pesquisador de pós-doutorado da Academia da Finlândia em Aalto, que foi um dos principais autores do estudo. ‘Os géis usados em nosso sistema são semelhantes. Eles são polímeros macios inchados na água e podem fornecer uma variedade fascinante de respostas a estímulos ambientais.’
O laser brilha através do primeiro gel e, em seguida, reflete em um espelho para o segundo gel, onde aquece as nanopartículas de ouro suspensas. O calor se move do segundo gel para o primeiro, elevando sua temperatura. O primeiro gel só é transparente quando está abaixo de uma temperatura específica; quando fica mais quente, torna-se opaco. Essa mudança impede que o laser atinja o espelho e aqueça o segundo gel. Os dois géis então esfriam até que o primeiro fique transparente novamente, momento em que o laser passa e o processo de aquecimento começa novamente.
Em outras palavras, a disposição do laser, dos géis e do espelho cria um ciclo de feedback que mantém os géis em uma temperatura específica. Em temperaturas mais altas, o laser é bloqueado e não consegue aquecer as nanopartículas de ouro; em temperaturas mais baixas, o primeiro gel torna-se transparente, então o laser brilha e aquece as partículas de ouro.
‘Como um sistema vivo, nosso sistema homeostático é dinâmico. A temperatura oscila em torno do limite, mas a faixa de oscilação é bem pequena e resistente a distúrbios externos. É um sistema homeostático robusto ‘, diz Hao Zeng, pesquisador da Academia da Finlândia na Universidade de Tampere, que foi o outro autor principal do estudo.
Os pesquisadores então construíram gatilhos responsivos ao toque em cima do sistema de feedback. Para conseguir isso, eles adicionaram componentes mecânicos que respondem a mudanças de temperatura. Tocar o sistema de gel da maneira correta o empurra para fora de seu estado estacionário e a mudança de temperatura resultante faz com que o componente mecânico se deforme. Depois, tudo volta à sua condição original.
A equipe projetou dois sistemas que respondem a diferentes tipos de toque. Em um caso, um único toque desencadeia a resposta, assim como uma planta de mimosa que não me toque dobra suas folhas quando acariciada. A segunda configuração responde apenas a toques repetidos, da mesma forma que uma armadilha de Vênus precisa ser tocada duas vezes em 30 segundos para fechá-la. ‘Podemos desencadear um comportamento de encaixe com toques mecânicos em intervalos adequados, assim como uma armadilha de Vênus. Nosso sistema de material artificial pode discriminar entre toques de baixa e alta frequência’, explica o professor Arri Priimägi, da Universidade de Tampere.
Os pesquisadores também mostraram como o sistema homeostático pode controlar uma exibição dinâmica de cores ou até mesmo empurrar cargas ao longo de seu corpo. Eles enfatizam que essas demonstrações mostram apenas algumas das possibilidades abertas pelo novo conceito de material.
“Os materiais inspirados na vida oferecem um novo paradigma para materiais dinâmicos e adaptativos que provavelmente atrairão pesquisadores nos próximos anos”, diz o professor Olli Ikkala, da Universidade de Aalto. ‘Sistemas cuidadosamente projetados que imitam alguns dos comportamentos básicos dos sistemas vivos abrirão o caminho para materiais verdadeiramente inteligentes e robótica suave interativa.’
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Aalto. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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