Kijk, dat is intelligent materiaal: het grootste deel van het zenuwstelsel van een octopus zit in zijn armen, die de omgeving kunnen waarnemen en ernaar handelen, vormen kunnen herkennen én onthouden.

Slimme materialen

De zoektocht naar intelligente materialen: het ideaal ligt in de armen van de octopus

Kijk, dat is intelligent materiaal: het grootste deel van het zenuwstelsel van een octopus zit in zijn armen, die de omgeving kunnen waarnemen en ernaar handelen, vormen kunnen herkennen én onthouden.Beeld Reuters

Nu zijn slimme machines op grenzen stuiten, werkt de mens aan intelligente materialen.

Denk aan een kunsthuid, die niet alleen de goede mechanische eigenschappen heeft om een wond te dichten, maar ook zelf zijn temperatuur en vochthuishouding kan ­regelen. Of aan kleding die, afhankelijk van het weer, het lichaam verwarmt of koelt. Dat zijn mogelijke toepassingen van intelligente materialen, materialen die zijn voorzien van kunstmatige intelligentie

De wetenschap van intelligente materialen is een nog jong vakgebied. De Twentse hoogleraar Wilfred van der Wiel, een van de leidende onderzoekers in dit veld, publiceerde met enkele collega’s uit Münster deze week in vakblad Nature een overzicht van de resultaten tot nu toe en de vooruitzichten voor de toekomst. Het is een breed uitzicht: intelligente materialen strekken zich uit van de zachte robotica tot informatica en nanotechnologie, Van der Wiels vakgebied.

Veel van de systemen die hem van pas komen, bouwt de mens uit onderdelen met verschillende functies en vaak van verschillende materialen. Daarmee is hij ver gekomen, maar stuit hij ook op grenzen, bijvoorbeeld in rekenkracht en -snelheid. Van der Wiel: “Machines als de huidige computers raken aan de grens van hun kunnen. Met die conventionele architectuur stuit je op fysische grenzen, bijvoorbeeld in energieverbruik, wat een nijpend probleem wordt. Als we intelligentie kunnen inbouwen in het materiaal zelf, dan zal dat de ­rekenkracht spectaculair verhogen en het energieverbruik sterk verminderen.”

De overgang van een uit onder­delen opgebouwde computer naar een materiaal dat kan rekenen, is zo groot als de stap van radiobuis naar transistor. Je komt op een heel ander niveau. De onderzoeksgroep van Van der Wiel in Brains – het Center for Brain-Inspired Nano Systems – leverde vorig jaar een voorbeeld af met een netwerk van booratomen in silicium. Een netwerk op atomaire schaal, “waarop we kleine spanningen kunnen zetten en stroompjes kunnen meten”, zegt de Twentse hoogleraar. Het minuscule netwerk is te gebruiken voor kunstmatige ­intelligentie; het kan leren patronen te herkennen, zoals deze letters.

Zelfhelend

Van der Wiel: “Makers van intelligente materialen laten zich inspireren door de natuur om gewenste ­eigenschappen in materialen te ­bouwen. Voordeel is bijvoorbeeld dat slimme materialen veel zuiniger zijn dan de machines die we nu hebben. Of denk aan onderhoud: nu moeten we materialen die we hebben gemaakt steeds in de gaten houden om te voorkomen dat ze kapot gaan. Het zou toch nuttig zijn als een ­materiaal zelfhelend is.”

Dat zijn de ingenieursdoelen, zegt Van der Wiel. En daarnaast is er de wetenschappelijk fascinatie: “We willen de materie begrijpen. De wetenschappelijke ontdekkingstocht van de mens is begonnen bij de knots: wat kun je daar allemaal mee? En inmiddels zitten we te piekeren hoe we intelligente eigenschappen in materialen kunnen bouwen.”

Van der Wiel en zijn collega’s hebben voor die wetenschappelijke zoektocht een forse subsidie gekregen. Niet in Nederland, maar in Duitsland. Hij doceert niet alleen aan de Universiteit Twente maar ook aan de universiteit van Münster, vlak over de grens. De twee univer­siteiten hebben een gezamenlijk ­onderzoekscentrum opgezet voor intelligente materialen. Daarvoor kwam 10 miljoen euro beschikbaar van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), de onderzoeksfinancier van de Duitse overheid, voor de komende vier jaar, met daarna uitzicht op financiering voor nog eens acht jaar.

Lerend vermogen

In het onderzoeksprogramma zullen binnen zes jaar materialen worden ontwikkeld die je werkelijk intelligent zou kunnen noemen, verwacht Van der Wiel. Een algemeen aanvaarde definitie van intelligentie is er niet, maar in deze wetenschap wordt een materiaal intelligent genoemd als het informatie tot zich kan nemen, die voor langere tijd kan opslaan en die kennis kan gebruiken om zich aan te passen aan een ver­anderlijke omgeving.

Zo ver zijn de ontwikkelde materialen nog niet. Er zijn materialen die kunnen reageren op de omgeving, of zich kunnen aanpassen, maar dat zijn nog maar de eerste stappen op weg naar werkelijke materiaal­intelligentie.

De makers van intelligente materialen kunnen voorlopig alleen nog met afgunst kijken naar wat de ­natuur heeft voortgebracht, bijvoorbeeld in de vorm van het brein. We proberen eigenschappen daarvan over te nemen, zegt Van der Wiel: “De grote kracht van het brein is dat het veel dingen tegelijk kan. Neuronen hebben duizenden verbindingen met elkaar, die heel veel rekenwerk tegelijk kunnen doen. Geen com­puter kan dat nu.”

En het brein kan dat doen met heel weinig energie: “Die efficiëntie danken de hersenen onder meer aan een opbouw waarin het verwerken en het opslaan van informatie op ­dezelfde plek gebeurt, namelijk in de synapsen, de verbindingen tussen neuronen. Een klassieke computer heeft een rekeneenheid en een geheugen en moet steeds ­informatie uit het geheugen halen en weer opbergen. Dat vreet energie en tijd.”

Een derde eigenschap van het brein die wetenschappers in intelligente materialen willen zien te krijgen, is zijn plasticiteit. In het brein worden verbindingen tussen neuronen voortdurend veranderd. Daar dankt het zijn lerend vermogen aan.

Van der Wiel: “Zelfs als we erin slagen om die eigenschappen in ­materialen te benutten, dan zijn we nog niet bij de cognitieve vermogens, het bewustzijn en de vrije wil van de mens. We zitten dan nog altijd op het allerlaagste niveau van intelligentie. We wíllen ook geen zelfdenkende wezens creëren, daar hoef je niet bang voor te zijn. We zouden het niet eens kúnnen. Maar het zou prachtig als we bijvoorbeeld implantaten kunnen maken die meevoelen met het lichaam, of materialen die na een hersenbeschadiging functies van het brein kunnen overnemen.”

null Beeld Louman & Friso
Beeld Louman & Friso

In vier stappen naar intelligentie

De weg naar intelligente materialen begint bij een baksteen (uiterst links), ofwel materialen met een vaste vorm en structuur die, eenmaal gemaakt, niet meer veranderen.

De tweede stap omvat materialen die kunnen reageren op een prikkel uit de omgeving (de rode flits) en daardoor van vorm kunnen veranderen. Een verandering die bovendien omkeerbaar is als er een tegenprikkel komt (de paarse flits). Deze materialen hebben iets van een ‘sensor’ in zich en iets van een ‘motor’. Een voorbeeld zijn materialen die onder invloed van licht krommen en daarna weer strekken. Die kunnen met de juiste lichtflitsen ­letterlijk vooruitkomen.

Materialen die niet alleen reageren, maar zich ook kunnen aanpassen aan hun omgeving, zijn de derde stap. Die hebben, behalve een sensor en motorisch vermogen, ook een netwerk dat hun gedrag stuurt. Zo zijn er microrobots die in patronen kunnen voortbewegen, als een zwerm vogels, omdat ieder robotje zich laat leiden door zijn naaste buur.

In de vierde en laatste stap komt daar een langetermijngeheugen bij, waarmee een materiaal zich niet alleen kan aanpassen, maar aanpassingen ook onthoudt en ervan kan leren. Deze intelligente materialen zijn in het lab nog nauwelijks gemaakt. Ze zijn vooralsnog het exclusieve terrein van het leven en komen in de natuur veel voor, bijvoorbeeld in de armen van een octopus.

Lees ook:

Een computer die werkt als onze hersenen en emoties kent

Het kan uitmonden in een kwantumbrein, een computer die werkt als onze hersenen. Maar het verhaal begint bij een paar kobaltatomen.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden