Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) разработали мягкие устройства, содержащие водоросли, которые светятся в темноте при механическом воздействии – таком как сдавливание, растяжение, скручивание или сгибание. Об этом сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Шэнцян Цай, профессор машиностроения и аэрокосмической инженерии UCSD и ведуший автор нового исследования, рассказал, что однажды весенней ночью он наблюдал за светящимися голубыми волнами. Затем он выяснил, что источником такого свечения являются одноклеточные водоросли, называемые динофлагеллятами. Особенно заинтересовало Цая то, что водоросли излучают свет, когда подвергаются механическим воздействиям, таким как силы океанских волн.
Это естественное свечение стало основой для разработки эластичных роботизированных устройств, которые можно было бы использовать в темноте без необходимости в электричестве. Материаловед-робототехник Цай объединил усилия с Майклом Латцем из Океанографического института Скриппса UCSD, занимающимся фундаментальными исследования в области биолюминесценции.
Для изготовления опытных устройств исследователи вводили культуральный раствор динофлагеллята Pyrocystis lunula внутрь полости из мягкого эластичного прозрачного материала. Материал может быть любой формы, ученые протестировали лишь некоторые из них – плоские листы, X-образные структуры и небольшие мешочки.
Когда материал сжимается, растягивается или деформируется каким-либо образом, он воздействует на раствор динофлагеллята, помещенный внутри, и механическое воздействие заставляет водоросли светиться. Исследователи также вставили внутрь образцов небольшие магниты, чтобы с их помощью можно было управлять движением и деформацией устройств.
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 заставить их сгибаться и раскачиваться, что показывает, что они потенциально могут использоваться для сбора воздушного потока для получения света.
Важно и то, что 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. «Это может стать основой создания биолюминесцентных систем для различного применения, от датчиков до эластичных роботов, которые могут исследовать морские глубины или другие темные среды без нужды в электричестве», – отметил Латц.
Устройства просты и практически не требуют обслуживания. Пока они заряжаются солнечным светом, их можно использовать снова и снова в течение как минимум месяца. При этом не нужно менять раствор или делать что-то еще. «Каждое такое устройство представляет собой собственную маленькую экосистему – искусственный живой материал», – отметил Цай.
Жизнеобеспечение культуры динофлагеллят внутри материальных структур реализовал еще один соавтор исследования – Ченхай Ли, специалист лаборатории Цая. Ключевым моментом, по его словам, было сделать эластичный полимер достаточно пористым, чтобы газы, такие как кислород, могли проходить через него без утечки культурального раствора. В таком материале динофлагелляты могут выживать более месяца.