Onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego hebben zachte apparaten ontwikkeld die algen bevatten die in het donker gloeien wanneer ze mechanische stress ervaren, zoals geplet, uitgerekt, gedraaid of gebogen. De apparaten hebben geen elektronica nodig om op te lichten, waardoor ze een ideale keuze zijn voor het bouwen van zachte robots die de diepzee en andere donkere omgevingen verkennen, aldus onderzoekers.

Het werk is onlangs gepubliceerd in Nature Communications .

De onderzoekers lieten zich voor deze apparaten inspireren door de bioluminescente golven die soms voorkomen op de stranden van San Diego tijdens rode vloedgebeurtenissen. Shengqiang Cai, een professor in werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en de hoofdauteur van het onderzoek, keek op een lenteavond met zijn gezin naar de gloeiende blauwe golven en was nieuwsgierig om meer te weten te komen over de oorzaak van deze indrukwekkende vertoning.

De bron van de gloed is een soort eencellige algen die dinoflagellaten worden genoemd. Maar wat Cai in het bijzonder fascineerde, was de ontdekking dat dinoflagellaten licht produceren wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische stress, zoals de krachten van de oceaangolven. "Dit was erg interessant voor mij omdat mijn onderzoek zich richt op de mechanica van materialen - alles wat te maken heeft met hoe vervorming en stress het materiaalgedrag beïnvloeden," zei hij.

Cai wilde deze natuurlijke gloed gebruiken om apparaten te ontwikkelen voor zachte robots die zonder elektriciteit in het donker kunnen worden gebruikt. Hij werkte samen met Michael Latz, een mariene bioloog aan de Scripps Institution of Oceanography van UC San Diego, die bioluminescentie in dinoflagellaten bestudeert en hoe deze reageert op verschillende waterstromingsomstandigheden. De samenwerking was een perfecte gelegenheid om Latz' fundamentele onderzoek naar bioluminescentie samen te voegen met Cai's materiaalwetenschappelijke werk voor robotica-toepassingen.

Om de apparaten te maken, injecteren de onderzoekers een kweekoplossing van het dinoflagellaat Pyrocystis lunula in een holte van een zacht, rekbaar, transparant materiaal. Het materiaal kan elke vorm hebben - hier hebben de onderzoekers verschillende vormen getest, waaronder platte vellen, X-vormige structuren en kleine zakjes.

Wanneer het materiaal op enigerlei wijze wordt geperst, uitgerekt of vervormd, zorgt het ervoor dat de dinoflagellaatoplossing binnenin stroomt. De mechanische spanning van die stroom zorgt ervoor dat de dinoflagellaten gaan gloeien. Een belangrijk kenmerk van het ontwerp hier is dat het binnenoppervlak van het materiaal is bekleed met kleine pilaren om het een ruwe innerlijke textuur te geven. Dit verstoort de vloeistofstroom in het materiaal en maakt het sterker. Een sterkere stroming legt meer spanning op de dinoflagellaten, wat op zijn beurt een helderdere gloed veroorzaakt.

De apparaten zijn zo gevoelig dat zelfs een zacht tikje voldoende is om ze te laten gloeien. De onderzoekers lieten de apparaten ook gloeien door ze te laten trillen, op hun oppervlak te tekenen en er lucht op te blazen om ze te laten buigen en zwaaien - wat aantoont dat ze mogelijk kunnen worden gebruikt om luchtstroom te oogsten om licht te produceren. De onderzoekers hebben ook kleine magneten in de apparaten geplaatst, zodat ze magnetisch kunnen worden bestuurd, gloeiend als ze bewegen en verdraaien.

De apparaten kunnen worden opgeladen met licht. De dinoflagellaten zijn fotosynthetisch, wat betekent dat ze zonlicht gebruiken om voedsel en energie te produceren. Door overdag licht op de apparaten te laten schijnen, krijgen ze het sap dat ze 's nachts nodig hebben om te gloeien.

De schoonheid van deze apparaten, merkte Cai op, is hun eenvoud. "Ze zijn in principe onderhoudsvrij. Als we eenmaal kweekoplossing in de materialen hebben geïnjecteerd, is dat alles. Zolang ze worden opgeladen met zonlicht, kunnen ze gedurende minstens een maand steeds opnieuw worden gebruikt. We hoeven niet te veranderen de oplossing of wat dan ook. Elk apparaat is zijn eigen kleine ecosysteem - een ontwikkeld levend materiaal."

De grootste uitdaging was uitzoeken hoe de dinoflagellaten in de materiële structuren levend en bloeiend konden worden gehouden. "Als je levende organismen in een synthetische, afgesloten ruimte plaatst, moet je nadenken over hoe je die ruimte bewoonbaar kunt maken - hoe het bijvoorbeeld lucht naar binnen en naar buiten kan laten - terwijl je toch de gewenste materiaaleigenschappen behoudt." zei studie eerste auteur Chenghai Li, een mechanische en ruimtevaarttechniek Ph.D. student in Cai's lab. De sleutel, merkte Li op, was om het elastische polymeer waarmee hij werkte poreus genoeg te maken om gassen zoals zuurstof door te laten zonder dat de kweekoplossing eruit lekte. De dinoflagellaten kunnen meer dan een maand in dit materiaal overleven.

Met de dinoflagellaten maken de onderzoekers nu nieuwe gloeiende materialen. In deze studie vullen de dinoflagellaten eenvoudig de holte van een reeds bestaand materiaal. In de volgende fase van hun werk gebruikt het team ze als ingrediënt van het materiaal zelf. "Dit zou kunnen zorgen voor meer veelzijdigheid in de maten en vormen waarmee we kunnen experimenteren om vooruit te komen," zei Li.

Het team is enthousiast over de mogelijkheden die dit werk kan bieden op het gebied van mariene biologie en materiaalkunde. "Dit is een mooie demonstratie van het gebruik van levende organismen voor een technische toepassing," zei Latz. "Dit werk blijft ons begrip van bioluminescente systemen van de basisonderzoekskant vergroten en tegelijkertijd de weg vrijmaken voor een verscheidenheid aan toepassingen, variërend van biologische krachtsensoren tot elektronicavrije robotica en nog veel meer." + Verder verkennen

Knippert fel als ze stevig wordt samengedrukt:hoe eencellige organismen de oceanen verlichten