Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего создали мягкие устройства, содержащие водоросли, которые при механическом воздействии, таком как сжатие, растяжение, скручивание или сгибание, светятся в темноте. Устройства идеально подходят для создания мягких роботов, которые исследуют морские глубины и другие темные области, поскольку, по словам исследователей, им не нужна никакая электроника для освещения. Исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Communications.
Биолюминесцентные волны, которые иногда можно увидеть на пляжах Сан-Диего во время красных приливов, послужили источником вдохновения для исследователей при создании этих гаджетов. Источником свечения являются одноклеточные водоросли, называемые динофлагеллятами. Но что особенно интересно, так это то, что динофлагелляты излучают свет, когда подвергаются механическим воздействиям, таким как силы океанских волн. После долгого изучения свойств водорослей и различных экспериментов с материалами, инженерам и ученым удалось создать источник света активируемый от удара или скручивания.
Для изготовления устройств исследователи вводят культуральный раствор динофлагеллята Pyrocystis lunula внутрь полости из мягкого эластичного прозрачного материала. Материал может быть любой формы — исследователи протестировали различные формы, включая плоские листы, X-образные структуры и небольшие мешочки.
Когда материал сжимается, растягивается или деформируется каким-либо образом, он заставляет раствор динофлагеллята внутри течь. Механическое напряжение от этого потока заставляет динофлагелляты светиться. Ключевой особенностью дизайна здесь является то, что внутренняя поверхность материала выложена небольшими столбиками, чтобы придать ему шероховатую внутреннюю текстуру. Это нарушает поток жидкости внутри материала и делает его прочнее. Более сильный поток оказывает большее давление на динофлагеллят, что, в свою очередь, вызывает более яркое свечение.
Устройства настолько чувствительны, что даже легкого прикосновения достаточно, чтобы они засветились. Исследователи также заставили устройства светиться, вибрируя их, рисуя на их поверхности и обдувая их воздухом, чтобы они изгибались и раскачивались. Исследователи также вставили внутрь устройств небольшие магниты, чтобы ими можно было управлять с помощью магнита.
Устройства можно заряжать светом. Динофлагелляты являются фотосинтезирующими, то есть они используют солнечный свет для производства пищи и энергии. Яркий свет на устройствах в течение дня дает им энергию, необходимую для свечения ночью.
Прелесть этих устройств, отмечают авторы, в их простоте. Они практически не требуют обслуживания. Как только культуральный раствор вводится в материалы, все. Пока они заряжаются солнечным светом, их можно использовать снова и снова в течение как минимум месяца. Нет нужды менять раствор или что-то в этом роде. Каждое устройство представляет собой собственную маленькую экосистему — искусственный живой материал.
Самой большой проблемой было выяснить, как поддерживать жизнь и процветание динофлагеллят внутри материальных структур. Когда вы помещаете живые организмы в синтетическое закрытое пространство, вам нужно подумать о том, как сделать это пространство пригодным для жизни — например, как оно будет впускать и выводить воздух — при этом сохраняя нужные свойства материала. Ключевым моментом, было сделать эластичный полимер, с которым он работал, достаточно пористым, чтобы газы, такие как кислород, могли проходить через него без утечки культурального раствора. В этом материале динофлагелляты могут выживать более месяца.
В настоящее время исследователи создают новые светящиеся материалы с помощью динофлагеллят. В этом исследовании динофлагелляты просто заполняют полость уже существующего материала. На следующем этапе своей работы команда использует их как ингредиент самого материала.
Команда воодушевлена возможностями, которые эта работа может принести в области морской биологии и материаловедения. Ученые считают, что это отличная демонстрация использования живых организмов в инженерных целях. По их словам, эта работа продолжает расширять наше понимание биолюминесцентных систем с точки зрения фундаментальных исследований, создавая основу для различных приложений, от датчиков биологической силы до робототехники без электроники и многого другого.