Bløde enheder, drevet af stressede alger, lyser i mørket, når de klemmes eller strækkes

Forskere ved University of California San Diego har udviklet bløde enheder, der indeholder alger, der lyser i mørke, når de oplever mekanisk stress, såsom at blive klemt, strakt, snoet eller bøjet. Enhederne kræver ingen elektronik for at lyse op, hvilket gør dem til et ideelt valg til at bygge bløde robotter, der udforsker dybhavet og andre mørke miljøer, sagde forskere.

Værket blev for nylig offentliggjort i Nature Communications .

Forskerne hentede deres inspiration til disse enheder fra de bioluminescerende bølger, der nogle gange opstår ved San Diegos strande under røde tidevandsbegivenheder. Shengqiang Cai, professor i mekanisk og rumfartsteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og undersøgelsens seniorforfatter, så de glødende blå bølger med sin familie en forårsaften og var nysgerrig efter at lære mere om, hvad der forårsagede denne imponerende visning.

Kilden til gløden er en type encellede alger kaldet dinoflagellater. Men det, der især fascinerede Cai, var at lære, at dinoflagellater producerer lys, når de udsættes for mekanisk stress, såsom kræfterne fra havets bølger. "Dette var meget interessant for mig, fordi min forskning fokuserer på materialers mekanik - alt relateret til, hvordan deformation og stress påvirker materialeadfærd," sagde han.

Cai ønskede at udnytte denne naturlige glød til at udvikle enheder til bløde robotter, der kan bruges i mørke uden elektricitet. Han slog sig sammen med Michael Latz, en havbiolog ved UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography, som studerer bioluminescens i dinoflagellater, og hvordan den reagerer på forskellige vandstrømningsforhold. Samarbejdet var en perfekt mulighed for at fusionere Latz's grundlæggende forskning i bioluminescens med Cais materialevidenskabelige arbejde for robotapplikationer.

For at fremstille anordningerne injicerer forskerne en kulturopløsning af dinoflagellaten Pyrocystis lunula inde i et hulrum af et blødt, strækbart, gennemsigtigt materiale. Materialet kan have enhver form - her testede forskerne en række forskellige former, herunder flade ark, X-formede strukturer og små poser.

Når materialet presses, strækkes eller deformeres på nogen måde, får det dinoflagellatopløsningen til at flyde. Den mekaniske belastning fra den strøm får dinoflagellaterne til at gløde. Et centralt træk ved designet her er, at den indre overflade af materialet er foret med små søjler for at give det en ru indre tekstur. Dette forstyrrer væskestrømmen inde i materialet og gør det stærkere. Et stærkere flow påfører dinoflagellaterne mere stress, hvilket igen udløser en lysere glød.

Enhederne er så følsomme, at selv et blødt tryk er nok til at få dem til at lyse. Forskerne fik også enhederne til at lyse ved at vibrere dem, trække på deres overflader og blæse luft på dem for at få dem til at bøje og svaje - hvilket viser, at de potentielt kan bruges til at høste luftstrøm for at producere lys. Forskerne indsatte også små magneter inde i enhederne, så de kan magnetisk styres og gløder, når de bevæger sig og forvrider sig.

Enhederne kan genoplades med lys. Dinoflagellaterne er fotosyntetiske, hvilket betyder, at de bruger sollys til at producere mad og energi. Lys på enhederne i løbet af dagen giver dem den juice, de skal bruge for at gløde i løbet af natten.

Skønheden ved disse enheder, bemærkede Cai, er deres enkelhed. "De er stort set vedligeholdelsesfrie. Når først vi injicerer kulturopløsning i materialerne, er det det. Så længe de bliver genopladet med sollys, kan de bruges igen og igen i mindst en måned. Vi behøver ikke at skifte ud af løsningen eller noget. Hver enhed er sit eget lille økosystem – et konstrueret levende materiale."

Den største udfordring var at finde ud af, hvordan man holder dinoflagellaterne i live og trives inde i de materielle strukturer. "Når du sætter levende organismer inde i et syntetisk, lukket rum, skal du tænke på, hvordan du gør det rum beboeligt - hvordan det vil lade luft ind og ud, for eksempel - mens du stadig beholder de materialeegenskaber, du ønsker." sagde undersøgelse første forfatter Chenghai Li, en mekanisk og rumfartsteknologi Ph.D. studerende i Cais laboratorium. Nøglen, bemærkede Li, var at gøre den elastiske polymer, som han arbejdede med, porøs nok til, at gasser som ilt kunne passere igennem, uden at kulturopløsningen skulle lække ud. Dinoflagellaterne kan overleve i mere end en måned inde i dette materiale.

Forskerne skaber nu nye glødende materialer med dinoflagellaterne. I denne undersøgelse fylder dinoflagellaterne simpelthen hulrummet i et allerede eksisterende materiale. I den næste fase af deres arbejde bruger teamet dem som en ingrediens i selve materialet. "Dette kunne give mere alsidighed i de størrelser og former, som vi kan eksperimentere med at bevæge os fremad," sagde Li.

Holdet er begejstret for de muligheder, dette arbejde kan bringe til områderne havbiologi og materialevidenskab. "Dette er en pæn demonstration af at bruge levende organismer til en ingeniørapplikation," sagde Latz. "Dette arbejde fortsætter med at fremme vores forståelse af bioluminescerende systemer fra grundforskningssiden, mens det sætter scenen for en række forskellige anvendelser, lige fra biologiske kraftsensorer til elektronikfri robotteknologi og meget mere." + Udforsk yderligere

Blinker skarpt, når det klemmes fast:Sådan lyser encellede organismer havene op