Эта работа была недавно опубликована в Сообщения о природе.

Исследователи черпали вдохновение для создания этих устройств из биолюминесцентных волн, которые иногда возникают на пляжах Сан-Диего во время красных приливов. Шэнцян Цай, профессор механики и аэрокосмической инженерии Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и старший автор исследования, однажды весенним вечером наблюдал со своей семьей за светящимися голубыми волнами, и ему было любопытно узнать больше о причинах этого впечатляющего зрелища.

Источником свечения является разновидность одноклеточных водорослей, называемых динофлагеллятами. Но что особенно заинтересовало Цая, так это то, что он узнал, что динофлагелляты излучают свет, когда подвергаются механическому воздействию, такому как воздействие океанских волн. "Это было очень интересно для меня, потому что мои исследования сосредоточены на механике материалов - на всем, что связано с тем, как деформация и напряжение влияют на поведение материала", - сказал он.

Цай хотел использовать это естественное свечение для разработки устройств для мягких роботов, которые можно использовать в темноте без электричества. Он объединился с Майклом Латцем, морским биологом из Института океанографии Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего, который изучает биолюминесценцию динофлагеллят и то, как она реагирует на различные условия течения воды. Сотрудничество стало прекрасной возможностью объединить фундаментальные исследования Латца в области биолюминесценции с работами Cai в области материаловедения для приложений робототехники.

Чтобы изготовить устройства, исследователи вводят культуральный раствор динофлагеллята Pyrocystis lunula внутри полости из мягкого, эластичного, прозрачного материала. Материал может быть любой формы - здесь исследователи протестировали различные формы, включая плоские листы, Х-образные структуры и небольшие пакеты.

Когда материал прессуется, растягивается или деформируется каким-либо образом, это приводит к вытеканию раствора динофлагеллата внутри. Механическое напряжение от этого потока заставляет динофлагелляты светиться. Ключевой особенностью дизайна здесь является то, что внутренняя поверхность материала выложена небольшими столбиками, придающими ему грубую внутреннюю текстуру. Это нарушает поток жидкости внутри материала и делает его более прочным. Более сильный поток оказывает большее давление на динофлагелляты, 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 ими, рисуя на их поверхностях и обдувая их воздухом, чтобы заставить их изгибаться и раскачиваться - что показывает, что они потенциально могут быть использованы для сбора воздушного потока для получения света. Исследователи также вставили небольшие магниты внутрь устройств, чтобы ими можно было управлять с помощью магнита, светясь при движении и искажении.

Устройства можно заряжать с помощью света. Динофлагелляты обладают способностью к фотосинтезу, что означает, что они используют солнечный свет для производства пищи и энергии. Яркий свет, падающий на устройства в течение дня, дает им энергию, необходимую для того, чтобы светиться ночью.

Красота этих устройств, отметил Цай, заключается в их простоте. "Они в основном не требуют технического обслуживания. Как только мы введем культуральный раствор в материалы, все. Пока они заряжаются солнечным светом, их можно использовать снова и снова в течение как минимум месяца. Нам не нужно менять решение или что-то в этом роде. Каждое устройство представляет собой свою собственную маленькую экосистему - искусственный живой материал".

Самой большой проблемой было выяснить, как сохранить динофлагеллятам жизнь и процветание внутри материальных структур. "Когда вы помещаете живые организмы в синтетическое замкнутое пространство, вам нужно подумать о том, как сделать это пространство пригодным для жилья - например, как оно будет пропускать воздух, сохраняя при этом желаемые свойства материала", - сказал первый автор исследования Ченхай Ли, специалист в области механики и аэрокосмической промышленности. аспирант инженерного факультета в лаборатории Цая. Ключевым моментом, отметил Ли, было сделать эластичный полимер, с которым он работал, достаточно пористым, чтобы газы, такие как кислород, могли проходить через него без утечки культурального раствора. Динофлагелляты могут выживать внутри этого материала более месяца.

В настоящее время исследователи создают новые светящиеся материалы с динофлагеллятами. В этом исследовании динофлагелляты просто заполняют полость уже существующего материала. На следующем этапе своей работы команда использует их в качестве ингредиента самого материала. "Это могло бы обеспечить большую универсальность размеров и форм, с которыми мы можем экспериментировать в дальнейшем", - сказал Ли.

Команда в восторге от возможностей, которые эта работа может привнести в области морской биологии и материаловедения. "Это наглядная демонстрация использования живых организмов в инженерных целях", - сказал Латц. "Эта работа продолжает углублять наше понимание биолюминесцентных систем с точки зрения фундаментальных исследований, одновременно подготавливая почву для различных применений, начиная от датчиков биологической силы и заканчивая робототехникой без электроники и многим другим".

Эта работа была поддержана Управлением военно-морских исследований (грант N00014-17-1-2062 ) и Научно-исследовательское управление армии США (грант 2911NF-20-2-0182 ).

Видео: https://youtu.be/JhwUB7KIex4