Engenheiros da Johns Hopkins desenvolveram tiras de gel que mudam de forma quando recebem instruções químicas escritas em código de DNA. Esses "autômatos de gel", medindo apenas centímetros, podem crescer ou encolher, transformando-se de uma letra ou número para outro quando acionados por moléculas de DNA específicas. Essa descoberta abre possibilidades para robôs que mudam de forma e dispositivos médicos que podem se reconfigurar para executar várias tarefas.

A pesquisa deles aparece na Nature Communications .

"Esses autômatos de gel, que respondem às instruções de DNA de forma precisa e dinâmica, representam um passo importante em direção a uma nova geração de materiais adaptáveis e responsivos para aplicações da medicina à robótica", disse Ruohong Shi, Engr '23 (PhD), que trabalhou com Rebecca Schulman e David Gracias , ambos professores do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Whiting School of Engineering , no estudo. Shi é um bolsista de pós-doutorado no National Institute of Standards and Technology.

Mudanças de forma acontecem o tempo todo na natureza, do desenvolvimento de embriões ao crescimento e envelhecimento de organismos. Ao criar os géis, os pesquisadores foram inspirados por sistemas vivos que usam ácidos nucleicos para induzir mudanças físicas, por máquinas tradicionais que podem se reconfigurar repetidamente com base em instruções e por robôs macios que mudam de forma em resposta a sinais de luz ou elétricos.

"Nosso estudo mostra como podemos programar mudanças de forma semelhantes em materiais muito macios usando produtos químicos", disse Gracias.

Em seu estudo, os pesquisadores primeiro desenvolveram géis que podiam crescer ou encolher em resposta aos sinais de quatro sequências de DNA independentes sem nenhuma outra intervenção humana. Eles observaram a transformação dos géis, quantificando suas respostas a vários sinais químicos usando imagens de lapso de tempo.

Eles descobriram que a velocidade com que os géis mudam de forma é influenciada pela rapidez com que a água entra e sai deles. Os pesquisadores observam que isso é semelhante a fenômenos naturais envolvendo substâncias ou tecidos semelhantes a gel, como a forma como as doenças progridem e como o corpo se cura ao longo do tempo.

Em seguida, a equipe combinou pequenas seções de quatro tipos diferentes de géis infundidos com DNA para criar tiras que poderiam mudar de forma. Cada seção poderia ser comandada individualmente para crescer ou encolher, permitindo que os pesquisadores controlassem a forma de toda a tira.

"Os organismos usam biomoléculas para direcionar mudanças específicas em sua forma", disse Schulman. "Nossos autômatos de gel podem fazer o mesmo — eles consistem em microssegmentos que podem crescer ou encolher quando expostos às instruções do DNA."

Para classificar essas formas, eles desenvolveram uma rede neural convolucional (CNN) — um tipo de inteligência artificial que analisa padrões visuais. Ao treinar essa IA com imagens de números escritos à mão e formas de gel simuladas, os pesquisadores criaram tiras de um centímetro de comprimento que poderiam se transformar entre letras do alfabeto e números pares ou ímpares. Essa combinação inovadora de material controlado por DNA e classificação de IA abre as portas para o desenvolvimento de materiais complexos que mudam de forma, de acordo com a equipe.

"Autômatos de gel programáveis são intelectualmente atraentes porque nos oferecem vislumbres de como poderíamos criar matéria verdadeiramente programável", disse Gracias.

Os coautores do estudo também incluem Kuan-Lin Chen, Joshua Fern, Yixin Liu, Qi Huang do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, e Dominic Scalise, um ex-aluno de engenharia química e biomolecular, que atualmente é professor assistente no Departamento de Engenharia Química e Bioengenharia da Washington State University. Siming Deng e Noah J. Cowan do Departamento de Engenharia Mecânica da Whiting School e do Laboratório de Sensoriamento Computacional e Robótica também contribuíram.