模拟生命：非生物材料的突破

伊尔科玛实验室的研究人员发现了一种利用燃料控制非生物物质的新过程，类似于活细胞的功能。该反应周期可以很容易地应用于广泛的材料，其速率可以控制，这是此类反应新兴领域的一个突破。这一发现是向软机器人技术迈出的一步;能够感知环境中发生的事情并做出相应反应的软机器。这些化学家上个月在《自然通讯》上发表了他们的发现。

　　

   

   

图片:三周(504小时)内，添加燃料的水凝胶(中间行)与未添加燃料的对照水凝胶(上面行)的延时照片系列。最下面一排显示的是一种水凝胶，当加入两种不同类型的燃料时，它会独立地改变形状。    

图片来源:代尔夫特理工大学

伊尔科玛实验室的研究人员发现了一种利用燃料控制非生物物质的新过程，类似于活细胞的功能。该反应周期可以很容易地应用于广泛的材料，其速率可以控制，这是此类反应新兴领域的一个突破。这一发现是向软机器人技术迈出的一步;能够感知环境中发生的事情并做出相应反应的软机器。化学家们将他们的发现发表在自然通讯上。

化学家Rienk Eelkema和他的团队试图模仿自然，特别是活细胞中为控制细胞提供燃料的化学反应。伊尔科玛解释说，以同样方式驱动非生物材料的反应工具箱是有限的。“到目前为止，只有大约五种类型的反应被研究人员广泛使用。这些反应有两个主要缺点:它们的速率很难控制，而且它们只对特定的一组分子起作用。”Eelkema和论文的第一作者，博士候选人Benjamin Klemm发现了一种新型的反应，它的反应速率可以被有效地控制，而且它也适用于广泛的材料。

肿胀凝胶
伊尔科玛解释说:“反应循环的本质是，它可以通过添加化学燃料在不带电粒子和带电粒子之间切换。”“这使我们能够给材料充电，从而改变这些材料的结构，因为相等的电荷相互排斥，不同的电荷相互吸引。燃料的种类和数量决定了反应速率，从而决定了装药的时间和特定结构的存在时间。”例如，研究人员利用他们的反应循环给水凝胶充电，之后电荷相互排斥，凝胶开始膨胀。

柔软的机器人
化学反应的循环可能对制造软机器人很有用:像我们的皮肤和组织一样柔软的小设备，可以执行特定的功能。“软机器人已经存在，例如通过外部磁场或电场控制的微粒。但最终你会希望机器人能够控制自己:自己看到它在哪里，发生了什么，然后做出相应的反应，”伊尔科玛说。“你可以提前将我们的循环编程到一个粒子中，然后不去管它，一旦遇到信号，它就会独立地执行它的功能。”

Eelkema的下一步是通过添加信号处理将这个过程与环境联系起来:“例如，一个聚合物粒子可能包含这样一个循环的一些成分。当它遇到反应的最后一部分时，这个循环就完成了，例如，作为分解或膨胀的信号。”

生命的定义
人类或其他生物的细胞需要能量来完成各种功能:移动、感知正在发生的事情或分裂。伊尔科玛解释说:“这也是我们人类需要吃东西的原因。”“能量与功能的联系是通过化学反应发生的，这就是生命的定义。它使细胞能够在有限的时间内控制结构形成和过程发生的时间和地点。”

相比之下，非生物材料可以永远存在，并且在没有能量供应的情况下发挥作用。直到十年前，还没有任何工艺可以使用化学燃料来驱动非生物材料之间的相互作用。Eelkema:“我们在代尔夫特和其他几个地方引入了这种技术，从那以后，该领域出现了爆炸式增长。”