Mivel az eszközök világításához nincs szükség elektronikára, kiváló választás a mélytengert és más sötét területeket felfedező puha robotok fejlesztéséhez. Köszönet: Kaliforniai Egyetem – San Diego
A készülékek fénnyel tölthetők.
University of California San Diego a kutatók olyan algákat tartalmazó puha eszközöket hoztak létre, amelyek mechanikai igénybevételnek, például összenyomásnak, nyújtásnak, csavarásnak vagy hajlításnak kitéve világítanak a sötétben. Az eszközök tökéletesek olyan puha robotok létrehozására, amelyek a mélytengert és más sötét területeket kutatják, mivel a kutatók szerint nincs szükség elektronikára a világításhoz.
A kutatás nemrégiben megjelent a folyóiratban <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="
” data-gt-translate-attributes=”[{„attribute”:”data-cmtooltip”, „format”:”html”}]”>Nature Communications.
Azok a biolumineszcens hullámok, amelyek néha San Diego strandjain láthatók a vörös apály eseményei során, a kutatók ihletőjeként szolgáltak ezekhez a kütyükhöz. A kutatás vezető szerzője, Shengqiang Cai, a UC San Diego Jacobs School of Engineering mechanikai és űrkutatási mérnök professzora kíváncsi volt, hogy többet megtudjon arról, mi hozza létre ezt a lenyűgöző kijelzőt, miközben családjával egy tavasszal az izzó kék hullámokat nézte. éjszaka.
[Beágyazott tartalmat]
Az UC San Diego kutatói olyan lágy eszközöket fejlesztettek ki, amelyek algákat tartalmaznak, amelyek világítanak a sötétben, amikor mechanikai igénybevételnek vannak kitéve, például összenyomódnak, megnyúlnak, megcsavarják vagy meghajlítják. Az eszközöknek nincs szükségük elektronikára a fény előállításához, így ideálisak lágy robotok építéséhez a mélytengerek és más sötét környezetek felfedezéséhez. Köszönet: UC San Diego Jacobs Engineering School
A ragyogás forrása a dinoflagellates nevű egysejtű alga. De Cai-t különösen az nyűgözte le, hogy megtudta, hogy a dinoflagellák fényt bocsátanak ki, amikor mechanikai terhelésnek vannak kitéve, például az óceán hullámaiból származó erőknek. „Ez nagyon érdekes volt számomra, mert kutatásaim az anyagok mechanikájára összpontosítanak – mindenre, ami azzal kapcsolatos, hogy a deformáció és a feszültség hogyan befolyásolja az anyagok viselkedését” – mondta.
Cai ezt a természetes fényt kívánta hasznosítani olyan lágy robotokhoz való eszközök kifejlesztésére, amelyek sötétben is használhatók áram nélkül. Együttműködött Michael Latzcal, a UC San Diego-i Scripps Oceanográfiai Intézet tengerbiológusával, aki a dinoflagellaták biolumineszcenciáját és a különféle vízáramlási körülményekre való reagálását vizsgálja. Az együttműködés tökéletes alkalom volt arra, hogy Latz biolumineszcenciával kapcsolatos alapkutatásait Cai robotikai alkalmazásokra vonatkozó anyagtudományi munkájával egyesítsék.
Az eszközök elkészítéséhez a kutatók a Pyrocystis lunula dinoflagellate tenyészoldatát fecskendezik be egy puha, rugalmas, átlátszó anyagból készült üregbe. Az anyag bármilyen alakú lehet – itt a kutatók különféle formákat teszteltek, beleértve a lapos lapokat, az X-alakú szerkezeteket és a kis tasakot.
Ha az anyagot sajtolják, nyújtják vagy bármilyen módon deformálják, az a benne lévő dinoflagella oldat áramlását idézi elő. Az ebből az áramlásból származó mechanikai feszültség hatására a dinoflagellátok izzanak. A tervezés kulcsfontosságú jellemzője, hogy az anyag belső felülete kis oszlopokkal van bélelve, hogy durva belső textúrát adjon. Ez megzavarja a folyadék áramlását az anyagon belül, és megerősíti azt. Az erősebb áramlás nagyobb feszültséget fejt ki a dinoflagellákra, ami viszont erősebb fényt vált ki.
A készülékek annyira érzékenyek, hogy már egy halk koppintás is elég ahhoz, hogy világítsanak. A kutatók az eszközöket izzóvá is tették úgy, hogy vibrálták őket, rajzoltak a felületükre, és levegőt fújtak rájuk, hogy meggörbüljenek és ingadozzanak – ami azt mutatja, hogy potenciálisan felhasználhatók légáramlás begyűjtésére fény előállítására. A kutatók kis mágneseket is behelyeztek az eszközök belsejébe, hogy mágnesesen irányíthatók legyenek, és mozgásuk és torzulásuk közben világítanak.
A készülékek fénnyel tölthetők. A dinoflagellátok fotoszintetikusak, vagyis a napfényt használják élelmiszer- és energiatermelésre. A napközbeni fény az eszközökön biztosítja számukra azt a nedvet, amelyre szükségük van az éjszakai ragyogáshoz.
Cai szerint ezeknek az eszközöknek a szépsége az egyszerűségük. „Alapvetően karbantartásmentesek. Ha egyszer kultúroldatot fecskendezünk az anyagokba, ennyi. Amíg feltöltődnek napfénnyel, újra és újra használhatóak legalább egy hónapig. Nem kell megváltoztatnunk a megoldást vagy semmit. Minden eszköz a saját kis ökoszisztémája – egy mesterségesen kialakított élő anyag.”
A legnagyobb kihívást annak kitalálása jelentette, hogyan lehet a dinoflagellákat életben tartani és virágozni az anyagi struktúrákban. "Amikor élő szervezeteket helyez el egy szintetikus, zárt térbe, el kell gondolkodnia azon, hogyan teheti ezt a teret lakhatóvá – például hogyan engedi be és ki a levegőt – miközben megőrzi a kívánt anyagtulajdonságokat." mondta a tanulmány első szerzője, Chenghai Li, a gépészeti és űrkutatási mérnök Ph.D. diák Cai laborjában. Li megjegyezte, hogy a kulcs az volt, hogy az általa feldolgozott rugalmas polimert elég porózussá tegyék ahhoz, hogy az olyan gázok, mint az oxigén, áthaladjanak anélkül, hogy a tenyészoldat kiszivárogna. A dinoflagellátok több mint egy hónapig fennmaradhatnak ebben az anyagban.
A kutatók most új, izzó anyagokat hoznak létre a dinoflagellátokkal. Ebben a vizsgálatban a dinoflagellaták egyszerűen kitöltik egy már meglévő anyag üregét. Munkájuk következő szakaszában a csapat maga az anyag összetevőjeként használja őket. "Ez sokoldalúbbá teheti azokat a méreteket és formákat, amelyekkel kísérletezhetünk a továbblépéssel" - mondta Li.
A csapat izgatottan várja, hogy ez a munka milyen lehetőségeket rejthet magában a tengerbiológia és az anyagtudomány területén. „Ez az élő szervezetek mérnöki alkalmazásokban való felhasználásának ügyes bemutatója” – mondta Latz. „Ez a munka tovább fejleszti a biolumineszcens rendszerekkel kapcsolatos ismereteinket az alapkutatási oldalról, miközben számos alkalmazás alapjait állítja elő, a biológiai erőérzékelőktől az elektronika nélküli robotikáig és még sok másig.”
Chenghai Li, Qiguang He, Yang Wang, Zhijian Wang, Zijun Wang, Raja Annapooranan, Michael I. Latz és Shengqiang Cai „Nagyon robusztus és lágy biohibrid mechanolumineszcencia optikai jelzésekhez és megvilágításhoz”, 7. július 2022. Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-31705-6
A tanulmányt a Tengerészeti Kutatási Hivatal és a Hadsereg Kutatási Iroda finanszírozta
