Et si un matériau mou pouvait se déplacer tout seul, guidé non pas par l’électronique ou des moteurs, mais par le type de signalisation chimique rudimentaire qui alimente les organismes les plus simples ? Des chercheurs de la Swanson School of Engineering de l’Université de Pittsburgh ont modélisé exactement cela : un système synthétique qui, à lui seul, transforme directement les réactions chimiques en mouvement mécanique, sans avoir besoin de la machinerie biochimique complexe présente dans notre corps.
Tout comme les méduses, certains des organismes les plus simples ne possèdent pas de cerveau ou de système nerveux centralisé. Au lieu de cela, ils possèdent un « réseau nerveux » constitué de cellules nerveuses dispersées interconnectées par des jonctions actives, qui émettent et reçoivent des signaux chimiques. Même sans « processeur » central, les signaux chimiques voyagent spontanément à travers le réseau et déclenchent le mouvement autonome nécessaire à la survie des organismes.
Dans une étude publiée dans PNAS Nexus, Oleg E. Shklyaev, assistant de recherche, et Anna C. Balazs, professeur émérite de génie chimique et pétrolier et titulaire de la chaire d'ingénierie John A. Swanson, ont développé des simulations informatiques pour concevoir un matériau souple doté d'un « réseau nerveux » qui relie les réseaux chimiques et mécaniques d'une manière qui imite la façon dont les systèmes vivants les plus anciens et les plus simples coordonnent le mouvement.
« Dans les organismes vivants, les signaux chimiques déclenchent un mouvement à tout moment, depuis le battement du tissu cardiaque jusqu'à la flexion d'une plante vers la lumière du soleil », a déclaré Balazs. « Nous avons demandé quel est le système le plus simple possible qui pourrait reproduire ce comportement dans les matériaux synthétiques ? »
Des ondes chimiques au mouvement
Au cœur du modèle se trouve une simple boucle de rétroaction (le répressilateur), qui produit des oscillations chimiques rythmées. Les chercheurs ont reproduit ce système sous la forme d’une série de billes microscopiques recouvertes d’enzymes reliées par des liens flexibles qui constituent le corps du matériau. Les perles peuvent être considérées comme des tissus ou des vertèbres mécaniquement sensibles enfilées ensemble pour former une colonne vertébrale molle.
Lorsque des réactions chimiques se produisent à la surface des billes, elles créent des vagues de concentration changeante qui se propagent le long de la chaîne. Ces ondes chimiques induisent un mouvement de fluide, qui à son tour déforme le réseau, convertissant ainsi la chimie en mouvement mécanique. L’équipe appelle ce couplage un réseau chimio-mécanique (CMN).
Sur le plan visuel, Shklyaev compare ce comportement à « un mille-pattes ou un ver plat, où des vagues de contraction se déplacent à travers le corps, le propulsant vers l'avant ».
Les chercheurs ont découvert qu'en ajustant la composition chimique et la géométrie du réseau, par exemple en disposant les perles en anneaux, ils pouvaient contrôler la longueur et la vitesse de l'onde. Les boucles fermées permettent au mouvement de circuler en continu dans le système.
Un Slinky qui bouge tout seul
Balazs a proposé un jouet Slinky comme autre analogie.
« Si vous placez un slinky en haut des escaliers et lui donnez un simple coup de pouce, la gravité prend le dessus et son énergie potentielle se transforme en mouvement cinétique », a-t-elle déclaré. « Imaginez maintenant peindre certaines bobines avec des enzymes qui déclenchent des réactions chimiques spécifiques. Une fois que vous démarrez la chimie, le Slinky se déplace tout seul, car les réactions envoient des ondes à travers les bobines, les pliant et les fléchissant dans une séquence spécifique de mouvements dirigés. »
Dans cette analogie, le Slinky représente l’épine dorsale mécanique et les sites enzymatiques colorés agissent comme des terminaisons nerveuses chimiques. Lorsqu'un site réagit, il envoie un « message » chimique à ses voisins, tout comme les neurones transmettent des signaux, provoquant le déplacement sélectif de certaines parties de la structure.
« Notre système peut « ordonner » à des régions spécifiques de se déplacer », a expliqué Balazs. « Par exemple, une réaction peut provoquer un soulèvement d'une section, tandis qu'une autre provoque la flexion d'une région différente. Il s'agit d'un système autonome réduit à sa forme la plus simple : la mécanique de guidage chimique. »
Bien que les matériaux sensibles aux stimuli puissent exploiter des stimuli externes pour produire un mouvement donné, ils ne sont généralement réceptifs qu'à un ou deux signaux distincts et subissent un répertoire limité de mouvements. Ici, les billes enrobées produisent des signaux chimiques spécifiques à une position et à une enzyme et ainsi, la modification de la chimie et des positions des billes enrobées peut donner lieu à une large gamme de comportements dynamiques.
Un système nerveux chimique
Le modèle de l'équipe démontre comment les réseaux de réactions chimiques (CRN) peuvent donner lieu à une coordination mécanique sans aucune électronique ni contrôle centralisé.
« Ce système simple n'a pas besoin de cerveau ni de signal électrique », a déclaré Shklyaev. « Une fois que la réaction chimique démarre, elle génère des flux qui font bouger la structure et est complètement autonome. »
Le travail révèle un lien inhérent entre les CRN opérant dans le fluide corporel et les tissus élastiques immergés (perles et liens) qui conduit à la formation d’un réseau chimio-mécanique (CMN) correspondant. Le corps humain est composé à 60 % d’eau et regorge d’enzymes. Par divers mécanismes, les réactions enzymatiques dans les solutions aqueuses génèrent intrinsèquement des gradients qui peuvent traduire l’énergie chimique en action mécanique.
La formation des CMN et les processus décrivant les interactions entre les CRN et les tissus élastiques sont souvent négligés en biologie. Les CRN-CMN créent un circuit chimique fermé qui envoie et reçoit des signaux, génère du mouvement et peut même transporter des marchandises microscopiques le long de sa structure, comme la façon dont les tissus biologiques déplacent les nutriments ou répondent à des stimuli.
Le concept pourrait éclairer les futurs robots souples, les matériaux réactifs ou les systèmes informatiques chimiques fonctionnant de manière autonome dans des environnements fluides.
Composants simples, comportement complexe
« La biologie nous montre que la complexité naît de la simplicité », a déclaré Balazs. « En combinant seulement quelques composants clés (chimie, élasticité et écoulement de fluide), nous observons un mouvement de matière. Il convertit le carburant chimique en mouvement, coordonne ses pièces et effectue un travail sans avoir besoin de fils, de circuits ou de moteurs.
« C'est un peu comme manger un cheeseburger et ensuite bouger son bras », a-t-elle plaisanté. « Vous ajoutez du carburant, et il fait le reste. »
En fin de compte, la recherche fournit un modèle pour construire des matériaux autonomes et adaptatifs, des systèmes souples qui pensent en chimie plutôt qu’en électricité.
