Гели, управляемые ДНК: материал меняет форму по команде

Инженеры из Университета Джонса Хопкинса создали гелевые полоски, которые меняют форму в ответ на химические инструкции, записанные кодом ДНК. Эти «гелевые автоматы» размером в несколько сантиметров могут расти или сжиматься, превращаясь из одной буквы или цифры в другую при воздействии определённых молекул ДНК. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Принцип работы и вдохновение

Форма меняется в живой природе постоянно: от развития эмбрионов до роста и старения организмов. Учёные вдохновлялись системами, которые используют нуклеиновые кислоты для физических изменений, традиционными машинами, способными перестраиваться по инструкции, и мягкими роботами, реагирующими на свет или электрические сигналы.

Исследователи разработали гели, которые могут расти или сжиматься в ответ на сигналы от четырёх независимых последовательностей ДНК без иного вмешательства. Скорость изменения формы зависит от того, как быстро вода входит в гель или выходит из него — процесс, аналогичный некоторым природным явлениям, например, заживлению тканей.

Создание программируемых структур

Команда объединила микросекции четырёх разных типов гелей, пропитанных ДНК, в полоски, способные менять форму. Каждая секция может индивидуально получать команду на рост или сжатие, что позволяет управлять формой всей полоски.

Для классификации получаемых форм учёные использовали свёрточную нейронную сеть (CNN) — тип искусственного интеллекта для анализа визуальных паттернов. Обучив ИИ на изображениях рукописных цифр и смоделированных форм геля, они создали сантиметровые полоски, способные трансформироваться между буквами алфавита и чётными или нечётными цифрами.

Перспективы

Эта инновационная комбинация материала, управляемого ДНК, и ИИ-классификации открывает путь к созданию сложных материалов с программируемой формой для применения в медицине и робототехнике.