Schematisk beskrivning av arbetsprincipen och potentiella tillämpningar av biohybrid mekanoluminescens. I ljusfasen laddas den mjuka biohybridroboten integrerad med dinoflagellatkulturlösning med solljus för fotosyntes för att producera syre, vilket ger energi till organismen. I den mörka fasen kan den mekaniskt inducerade bioluminescensen hos den mjuka biohybridroboten visualisera mekaniska störningar, belysa omgivande område och producera optiska signaler. Kredit:Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-31705-6
Forskare vid University of California San Diego har utvecklat mjuka enheter som innehåller alger som lyser i mörkret när de utsätts för mekanisk påfrestning, som att klämmas, sträckas, vrids eller böjs. Enheterna kräver ingen elektronik för att lysa upp, vilket gör dem till ett idealiskt val för att bygga mjuka robotar som utforskar djuphavet och andra mörka miljöer, sa forskare.
Verket publicerades nyligen i Nature Communications .
Forskarna hämtade sin inspiration till dessa enheter från de självlysande vågorna som ibland uppstår vid San Diegos stränder under röda tidvatten. Shengqiang Cai, professor i mekanisk och rymdteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och studiens seniorförfattare, tittade på de glödande blå vågorna med sin familj en vårnatt och var nyfiken på att lära sig mer om vad som orsakade denna imponerande visning.
Källan till glöden är en typ av encelliga alger som kallas dinoflagellater. Men det som särskilt fascinerade Cai var att lära sig att dinoflagellater producerar ljus när de utsätts för mekanisk påfrestning, som krafterna från havsvågorna. "Detta var väldigt intressant för mig eftersom min forskning fokuserar på materialens mekanik - allt som är relaterat till hur deformation och stress påverkar materialets beteende", sa han.
Cai ville utnyttja denna naturliga glöd för att utveckla enheter för mjuka robotar som kan användas i mörker utan elektricitet. Han slog sig ihop med Michael Latz, en marinbiolog vid UC San Diegos Scripps Institution of Oceanography, som studerar bioluminescens i dinoflagellater och hur den reagerar på olika vattenflödesförhållanden. Samarbetet var ett perfekt tillfälle att slå samman Latz grundforskning om bioluminescens med Cais materialvetenskapliga arbete för robotapplikationer.
För att göra enheterna injicerar forskarna en odlingslösning av dinoflagellaten Pyrocystis lunula i ett hålrum av ett mjukt, stretchigt, transparent material. Materialet kan ha vilken form som helst – här testade forskarna en mängd olika former, inklusive platta ark, X-formade strukturer och små påsar.
När materialet pressas, sträcks eller deformeras på något sätt får det dinoflagellatlösningen inuti att flyta. Den mekaniska påfrestningen från det flödet får dinoflagellaterna att glöda. En nyckelfunktion i designen här är att den inre ytan av materialet är fodrad med små pelare för att ge det en grov inre textur. Detta stör vätskeflödet inuti materialet och gör det starkare. Ett starkare flöde påför mer stress på dinoflagellaterna, vilket i sin tur utlöser en ljusare glöd.
Enheterna är så känsliga att det räcker med en mjuk tryckning för att få dem att glöda. Forskarna fick också enheterna att lysa genom att vibrera dem, dra på deras ytor och blåsa luft på dem för att få dem att böjas och svaja – vilket visar att de potentiellt kan användas för att skörda luftflöde för att producera ljus. Forskarna satte också in små magneter inuti enheterna så att de kan magnetiskt styras, glödande när de rör sig och vrids.
Enheterna kan laddas med ljus. Dinoflagellaterna är fotosyntetiska, vilket innebär att de använder solljus för att producera mat och energi. Att lysa på enheterna under dagen ger dem den juice de behöver för att lysa under natten.
Det fina med dessa enheter, konstaterade Cai, är deras enkelhet. "De är i princip underhållsfria. När vi väl injicerar odlingslösning i materialen, så är det allt. Så länge de laddas med solljus kan de användas om och om igen i minst en månad. Vi behöver inte byta ut lösningen eller något. Varje enhet är sitt eget lilla ekosystem – ett konstruerat levande material."
Den största utmaningen var att ta reda på hur man kan hålla dinoflagellaterna vid liv och frodas inuti materialstrukturerna. "När du placerar levande organismer i ett syntetiskt, slutet utrymme måste du tänka på hur du gör det utrymmet beboeligt - hur det släpper in och ut luft, till exempel - samtidigt som du behåller de materialegenskaper du vill ha." sade studie första författare Chenghai Li, en mekanisk och rymdteknik Ph.D. student i Cais labb. Nyckeln, noterade Li, var att göra den elastiska polymeren som han arbetade med porös nog för gaser som syre att passera utan att odlingslösningen skulle läcka ut. Dinoflagellaterna kan överleva i mer än en månad inuti detta material.
Forskarna skapar nu nya glödande material med dinoflagellaterna. I denna studie fyller dinoflagellaterna helt enkelt håligheten i ett redan existerande material. I nästa steg av sitt arbete använder teamet dem som en ingrediens i själva materialet. "Detta kan ge mer mångsidighet i storlekarna och formerna som vi kan experimentera med att gå framåt," sa Li.
Teamet är entusiasmerande över möjligheterna detta arbete kan ge till områdena marinbiologi och materialvetenskap. "Detta är en snygg demonstration av att använda levande organismer för en teknisk tillämpning," sa Latz. "Detta arbete fortsätter att främja vår förståelse av bioluminiscerande system från grundforskningssidan samtidigt som det sätter scenen för en mängd olika applikationer, allt från biologiska kraftsensorer till elektronikfri robotik och mycket mer." + Utforska vidare
