Живые материалы. Ученые приступили к созданию одушевленных объектов

Новое направление в промышленных технологиях — "умные" материалы, которые адаптируютcя к окружающей среде.

Это и самовосстанавливающийся бетон, и ткань, которая подстраивается под погоду, и медицинские повязки, "включающие" при необходимости антибактериальную функцию. По мнению ученых, наступает эра 4D-объектов, меняющихся со временем.

Прорыв в строительстве и медицине

"Умные" материалы (от английского smart materials) давно стали частью повседневной жизни. Самые простые примеры — очки-хамелеоны, пьезо- и термоэлектрические датчики включения и отключения бытовых приборов, сенсоры в планшетах и смартфонах.

Но это верхушка айсберга. В производстве высокотехнологичной продукции широко применяют вещества, которые меняют физические свойства или форму под влиянием света, температуры, давления, механической деформации, напряжения электрических и магнитных полей, химического или биологического воздействия.

Смарт-материалы нового поколения обладают такими качествами живых организмов, как адаптивность, активность и автономность. Созданные из них нано- и макроструктуры, по мнению ученых, смогут взаимодействовать с окружающей средой: получать оттуда энергию, а также самостоятельно, без предварительного программирования, "принимать решения" о передвижении и изменении собственных физических свойств в зависимости от сигналов, поступающих извне. В научной литературе такие материалы называют "роботизированными" или "одушевленными" (animate materials).

Британские ученые в специальном докладе для Лондонского королевского общества пишут, что искусственные материалы, обладающие качествами живой материи, обеспечат прорыв в таких областях, как строительство, робототехника, медицина и производство одежды.

Как образец для создания природоподобных объектов авторы приводят дерево, которое получает извне энергию и питательные вещества для роста и самовосстановления. Оно приспосабливает форму и внутреннюю структуру к ограничениям и возможностям окружающей среды. А кроме того — существует и функционирует как элемент более широкой экосистемы. Клетки и ткани дерева выполняют разные задачи. Некоторые составляют структуру, другие отвечают за конкретные процессы — такие, как перенос воды или минеральных веществ от корней к листьям или наоборот.

Первый признак живого

В авангарде сейчас исследования по созданию материалов, обладающих базовым признаком живых организмов — способностью к регенерации. В строительстве уже применяют самовосстанавливающийся бетон, а в производстве самолетов — особые полимеры, микротрещины в которых "затягиваются" со временем. Недавно на рынке появились автомобильные краски с ликвидацией царапин.

К этой же группе относятся пластики и металлические сплавы с памятью формы, которые возвращаются в прежнее состояние после снятия нагрузки или изменения температуры. Например, нитинол — смесь никеля и титана — запоминает форму, приданную при закалке. Затем сплав можно охладить и согнуть, но при повторном нагревании он примет исходный вид. Такие технологии используют в "искусственных мышцах" роботов и в термостатах.

Древнейший строительный материал с адаптивным самовосстановлением — известковый цемент сооружений Древнего Египта. Вода, попадая в трещины, вступала в реакцию с углекислым газом в воздухе, и образующиеся кристаллы карбоната кальция намертво скрепляли блоки между собой. В этом один из секретов необычайной прочности египетских пирамид, полагают ученые.

Близкими качествами обладает асфальтовая смесь. В ее состав входит битум, который при плавлении заполняет трещины в материале. Древние ассирийцы, финикийцы и египтяне широко использовали гидроизоляционные и связующие свойства природного асфальта при строительстве зданий и кораблей.
Сегодня инженеры совершенствуют античные технологии и создают материалы, способные к самодиагностике и восстановлению без участия человека. Один из подходов, который применяют для производства адаптивных асфальтов, бетонов и пластмасс — добавление капсул, которые трескаются при повреждении, высвобождая заживляющие вещества. В асфальте эти капсулы заполняют битумными растворителями, в бетоне и пластиках — эпоксидным клеем или силикатом натрия, который минерализуется под воздействием воздуха и воды.

Проблема в том, что встроенные капсулы нельзя заменить — способность к регенерации должна быть "зашита" в свойствах самого материала. Больше всего подходят полимеры, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул, связанных между собой. Ученые работают над созданием высокомолекулярных веществ, обладающих внутренними механизмами восстановления нарушенных химических связей. Триггером, запускающим процесс, может выступать термическая или химическая активация, а еще — воздействие света или другого излучения.

Пока это удается сделать только для эластичных полимеров. Связи между их компонентами относительно слабые, и молекулярные цепочки легче восстанавливаются. Интересный пример такой разработки — сверхэластичный искусственный каучук, который возвращается к исходной форме после растяжения в десятки раз, а срезанные концы сращиваются при небольшом нагревании до комнатной температуры. Самовосстанавливающиеся полимеры очень востребованы при создании мягкой робототехники.

От восстановления к росту

Следующий этап приближения "умных" материалов к "одушевленным" — появление у них функции роста. Этот переход, как правило, связан с появлением биологической составляющей.

Так, ученые выяснили, что если к смеси желатина, кальцита и песка добавить распространенные в морской воде бактерии Synechococcus, то при определенной температуре и влажности состав начинает расширяться, постепенно заполняя предоставленную ему форму. После охлаждения и высушивания можно получить детали сложной конфигурации, которые до этого изготавливали только на 3D-принтере.

В некоторых случаях адаптивные материалы не содержат организмов, но взаимодействуют с живыми тканями для роста и развития. Один из примеров — биоактивное стекло: его уже двадцать лет используют в ортопедической и стоматологической хирургии. В отличие от традиционных имплантатов, оно срастается с костью даже без образования рубцовой ткани и не провоцирует воспаление или иммунное отторжение.

Медики считают, что с помощью 3D-печати из упругого биоактивного стекла можно изготавливать не только фрагменты костей и суставов, но и хрящевую ткань. Такая технология станет прорывом в лечении спортивных травм.

Умные материалы нового поколения больше всего востребованы именно в медицине. Простейший пример — биоактивные повязки, которые при появлении бактерий начинают выделять антибиотики. Более продвинутый вариант — бинты, меняющие цвет, по которому можно определить, остались ли под повязкой резистентные к лекарствам микробы.

Объединив способные к самосборке белки с высокотехнологичным оксидом графена, ученые создали материал, который можно использовать в качестве "биочернил" для 3D-печати искусственных сосудов. Получающиеся трубчатые структуры обладают многими биохимическими и механическими свойствами живой сосудистой ткани, а также абсолютно совместимы с человеческими клетками.

Нанокапсулы из биосовместимых материалов применяют для адресной доставки препаратов от рака. В магнитном поле их направляют к опухоли, отслеживая по уровню флуоресценции, а раскрытием капсул управляют с помощью ультразвука.

"Одушевленная" печать

Использование 3D-принтеров для производства "умных" материалов называется 4D-печатью. Этот термин предложил специалист по информатике из Массачусетского технологического института в США Скайлар Тиббитс. Выступая на конференции TED в 2013-м, он сказал: "Мы печатаем на 3D-принтере вещи, которые со временем меняются: переконфигурируются, развиваются, адаптируются, имеют свободу действий. Четвертое измерение — это время".
Одним из первых проектов Тиббита была обувь. Разработчики напечатали предварительно рассчитанный на компьютере эскиз полимерными чернилами на натянутой текстильной ткани. Как только ее сняли с рамки, плоская фигура приобрела объемную форму.

После этого в лаборатории, которой руководит Тиббит, из 4D-материалов создали множество удивительных вещей — меняющие форму и жесткость автомобильные сидения и предметы интерьера, ткани, подстраивающиеся под тело и погоду, строительные конструкции с программируемыми свойствами и многое другое.

Все это стало возможным благодаря новаторской технологии быстрой жидкостной печати, разработанной информатиком и его коллегами. В отличие от традиционного 3D-принтера, который создает объекты слой за слоем, жидкий 3D-объект печатают сразу целиком. Чтобы избежать воздействия гравитации, его подвешивают в резервуаре с гелем. В качестве материала берут полимеры, которые затвердевают под действием ультрафиолетового света.
Самое передовое направление 4D-печати — использование живых клеток в качестве "чернил" . Это уже в прямом смысле "одушевленные" материалы. Созданные из них роботизированные структуры можно назвать опытом воспроизводства жизни на молекулярном уровне.