I ricercatori dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato dispositivi morbidi contenenti alghe che brillano al buio quando subiscono stress meccanici, come schiacciati, allungati, attorcigliati o piegati. I dispositivi non richiedono elettronica per accendersi, il che li rende la scelta ideale per la costruzione di robot morbidi che esplorano il mare profondo e altri ambienti bui, hanno affermato i ricercatori.

Il lavoro è stato pubblicato di recente su Nature Communications .

I ricercatori hanno tratto ispirazione per questi dispositivi dalle onde bioluminescenti che a volte si verificano sulle spiagge di San Diego durante gli eventi di marea rossa. Shengqiang Cai, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering e autore senior dello studio, stava osservando le onde blu luminose con la sua famiglia una notte di primavera ed era curioso di saperne di più sulle cause di questo impressionante display.

La fonte del bagliore è un tipo di alga unicellulare chiamata dinoflagellati. Ma ciò che ha affascinato Cai in particolare è stato l'apprendimento che i dinoflagellati producono luce quando sottoposti a stress meccanici, come le forze delle onde dell'oceano. "Questo è stato molto interessante per me perché la mia ricerca si concentra sulla meccanica dei materiali, tutto ciò che riguarda il modo in cui la deformazione e lo stress influiscono sul comportamento dei materiali", ha affermato.

Cai ha voluto sfruttare questo bagliore naturale per sviluppare dispositivi per robot morbidi che possono essere utilizzati al buio senza elettricità. Ha collaborato con Michael Latz, un biologo marino presso la Scripps Institution of Oceanography della UC San Diego, che studia la bioluminescenza nei dinoflagellati e come risponde a varie condizioni del flusso d'acqua. La collaborazione è stata un'occasione perfetta per fondere la ricerca fondamentale di Latz sulla bioluminescenza con il lavoro di Cai sulla scienza dei materiali per le applicazioni di robotica.

Per realizzare i dispositivi, i ricercatori iniettano una soluzione di coltura della dinoflagellata Pyrocystis lunula all'interno di una cavità di un materiale morbido, elastico e trasparente. Il materiale può essere di qualsiasi forma:qui i ricercatori hanno testato una varietà di forme tra cui fogli piatti, strutture a forma di X e piccole buste.

Quando il materiale viene pressato, allungato o deformato in qualsiasi modo, fa fluire la soluzione di dinoflagellato all'interno. Lo stress meccanico di quel flusso fa brillare i dinoflagellati. Una caratteristica fondamentale del design qui è che la superficie interna del materiale è rivestita da piccoli pilastri per conferirgli una trama interna ruvida. Ciò disturba il flusso del fluido all'interno del materiale e lo rende più forte. Un flusso più forte applica più stress ai dinoflagellati, che a loro volta innescano un bagliore più luminoso.

I dispositivi sono così sensibili che basta anche un leggero tocco per farli brillare. I ricercatori hanno anche fatto brillare i dispositivi facendoli vibrare, disegnando sulle loro superfici e soffiando aria su di essi per farli piegare e oscillare, il che dimostra che potrebbero essere potenzialmente utilizzati per raccogliere il flusso d'aria per produrre luce. I ricercatori hanno anche inserito piccoli magneti all'interno dei dispositivi in ​​modo che possano essere guidati magneticamente, illuminandosi mentre si muovono e si contorcono.

I dispositivi possono essere ricaricati con la luce. I dinoflagellati sono fotosintetici, nel senso che usano la luce solare per produrre cibo ed energia. La luce brillante sui dispositivi durante il giorno dà loro il succo di cui hanno bisogno per brillare durante la notte.

La bellezza di questi dispositivi, ha osservato Cai, è la loro semplicità. "Sono fondamentalmente esenti da manutenzione. Una volta che iniettiamo la soluzione di coltura nei materiali, il gioco è fatto. Finché si ricaricano con la luce solare, possono essere riutilizzati più e più volte per almeno un mese. Non è necessario cambiarli trovare la soluzione o altro. Ogni dispositivo è il suo piccolo ecosistema:un materiale vivente ingegnerizzato."

La sfida più grande è stata capire come mantenere vivi e prosperi i dinoflagellati all'interno delle strutture materiali. "Quando metti gli organismi viventi all'interno di uno spazio sintetico e chiuso, devi pensare a come renderlo abitabile, come farà entrare e uscire l'aria, ad esempio, pur mantenendo le proprietà materiali che desideri", ha detto il primo autore dello studio Chenghai Li, un dottorato di ricerca in ingegneria meccanica e aerospaziale. studente nel laboratorio di Cai. La chiave, ha osservato Li, era rendere il polimero elastico con cui ha lavorato abbastanza poroso da consentire il passaggio di gas come l'ossigeno senza che la soluzione di coltura fuoriesca. I dinoflagellati possono sopravvivere per più di un mese all'interno di questo materiale.

I ricercatori stanno ora creando nuovi materiali luminosi con i dinoflagellati. In questo studio, i dinoflagellati riempiono semplicemente la cavità di un materiale già esistente. Nella fase successiva del loro lavoro, il team li utilizza come ingrediente del materiale stesso. "Ciò potrebbe fornire una maggiore versatilità nelle dimensioni e nelle forme che possiamo sperimentare andando avanti", ha affermato Li.

Il team è entusiasta delle possibilità che questo lavoro potrebbe apportare ai campi della biologia marina e della scienza dei materiali. "Questa è una chiara dimostrazione dell'utilizzo di organismi viventi per un'applicazione di ingegneria", ha affermato Latz. "Questo lavoro continua a migliorare la nostra comprensione dei sistemi bioluminescenti dal lato della ricerca di base, ponendo le basi per una varietà di applicazioni, che vanno dai sensori di forza biologica alla robotica senza elettronica e molto altro". + Esplora ulteriormente

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