Ett träd växer sig starkt från år av att generera sin egen mat. Tänk dig nu om produkter kunde stärkas med samma levande material som ger näring för att stärka träd. Detta är arbetet av USC Viterbi School of Engineering Civil- och miljöteknikprofessor Qiming Wang, vars forskningslabb är ett av de första som infunderar 3D-skrivarbläck med levande material. Materialet har potential för större styrka, att vara flexibel och självläkande. Arbetet dokumenteras i en tidning publicerad i The Proceedings of the National Academy of Sciences .

Idén till detta bioinspirerade bläck kom från träd som utnyttjar kraften i fotosyntesen för att producera glukos som omvandlas till cellulosa och stärker växtens cellstruktur. "När träd är unga, säger Wang, "de är flexibla, när de är mogna, de är stela."

"Forskningsidén är också inspirerad av sjömannen Popeye, den animerade karaktären som kan stärka sina muskler genom att äta spenat, säger Wang, vars forskning är fokuserad på bioinspirerad tillverkning och mekanik av oöverträffade material och strukturer som potentiellt kan hantera tekniska utmaningar inom infrastruktur, energi, robotik, sjukvård och miljö.

"Nu, vi använder vetenskaplig innovation för att förverkliga vår barndoms fantasi, säger Wang.

Forskargruppen bakom denna studie, som inkluderar USC Viterbi Ph.D. studenterna Kunhao Yu och Zhangzhengrong Feng som huvudförfattare tillsammans med professor Nicholas X. Fang från Massachusetts Institute of Technology och professor Chiara Daraio från California Institute of Technology, använde en centrifug för att extrahera kloroplaster från spenat köpt från Trader Joe's. De blandade spenatkloroplasterna med ett nyuppfunnit 3-D-utskrivbart polymerbläck. Sedan använde de bläcket för att 3D-printa strukturer. Genom att applicera ljus på den 3-tryckta strukturen, de skapade förutsättningar för att generera växtbaserad glukos som reagerar med polymeren för att få materialet att bli starkare och starkare.

Genom att applicera två till fyra timmars ljus och efterlikna kraften i fotosyntesen, forskarna tror att detta "levande material" kan självförstärkas till sex gånger sin ursprungliga styrka. Vad mer, den förstärkande effekten som de levande kloroplasterna inducerar kan tillfälligt upphävas genom att frysa materialet vid 0? (kloroplasterna bromsas temporärt vid frysning). När temperaturen återgår till rumstemperatur, den stärkande effekten kan återupptas.

"Materialet beter sig som en orm som övervintrar vintern, " säger Wang.

"Ett sådant tillfälligt "upphängningsbeteende" har aldrig visats i befintliga tekniska material, " tillägger Wang.

Yu, en huvudförfattare på pappersanteckningarna, "Denna teknik med gradientljusbelysning kan skapa tekniska strukturer med gradientstyvhet, som uppvisar en exceptionell "dämpande" egenskap långt utöver den hos de homogena.

"Ett annat slående fynd är att den stärkande effekten kan ställas in av yttre kraft, sa Feng, tidningens andra huvudförfattare.

"När du hänger en vikt på en trädgren, den grenen kommer att bli mycket starkare än andra grenar, en process som kallas "mekanotransduktion". Samma fenomen inträffar här.

Teamet föreställer sig att tillämpa fotosyntes på material för att designa en anpassad 3-D-printad sneakersula som formar sig efter ens fot och har en anpassad styvhet.

Vissa växter uppvisar en självläkande förmåga under ympning och sårreparation. Enligt forskarna, det "levande materialet" infunderat med kloroplaster i ett labb vid USC presenterar också en enastående självreparerande egenskap. En sådan egenskap induceras av den fotosyntesproducerade glukosen som skapar den molekylära processen för tvärbindning (i huvudsak likvärdig med att skapa suturer). Sådan sprickreparationsförmåga skulle kunna tillämpas i båtpropellrar eller till och med drönare.