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世界速读:用活体甲藻打造的软体设备在被挤压或拉伸后会在黑暗中发亮

来源:cnBeta 发布时间:2022-11-22 05:37:25

加州大学圣地亚哥分校的研究人员创造了含有海藻成分的软性设备,当受到机械压力时,例如被挤压、拉伸、扭曲或弯曲,它会在黑暗中发光。研究人员表示,这些设备非常适合于创建探索深海和其他黑暗区域的软体机器人,因为它们不需要任何电子元件就能发光。


(相关资料图)

这项研究最近发表在《自然通讯》杂志上。

在赤潮事件中有时可能在圣地亚哥的海滩上看到的生物发光的海浪,带给研究人员制造发光小工具的灵感。这项研究的资深作者,加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的机械和航空航天工程教授蔡胜强在一个春夜与家人一起观看发光的蓝色海浪时,很想知道是什么创造了这种惊人的光亮。

资料来源:加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院

光的来源是一种叫做甲藻的单细胞藻类。但是,特别让蔡教授着迷的是,他了解到甲藻在受到机械压力时会产生光,例如来自海浪的力量。他说:"这对我来说非常有趣,因为我的研究重点是材料的力学,在任何与变形和压力如何影响材料行为有关的时候。"

蔡教授想利用这种来自自然的光芒来开发可以在黑暗中使用的软体机器人的设备,而不需要电力。他与加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的海洋生物学家Michael Latz合作,后者研究甲藻的生物发光以及它如何对各种水流条件做出反应,将Latz的生物发光基础研究与Cai的机器人应用的材料科学工作结合起来。

为了制造这些设备,研究人员将纺锤梨甲藻(Pyrocystis lunula)的培养液注入一种柔软、有弹性的透明材料的腔内。该材料可以被构建成任何形状--在这里,研究人员测试了各种形状,包括平板、X形结构和小袋状。

当材料以任何方式被压迫、拉伸或变形时,它会导致里面的甲藻溶液流动。这种流动产生的机械应力引发了甲藻的发光。这里设计的一个关键特征是,材料的内表面有小柱子,使其具有粗糙的内部纹理。这扰乱了材料内部的流体流动,更强的流动对甲藻施加了更多的压力,这反过来又引发了更亮的光芒。

这些设备是如此敏感,甚至轻轻一拍就足以使它们发光。研究人员还通过振动这些设备、在其表面画画以及向其吹气使其弯曲和摇摆来使其发光--这表明它们有可能被用来收集气流以产生光线。研究人员还在这些设备中插入了小磁铁,这样它们就可以被磁力引导,在移动和变形时发光。

这些设备可以用光进行充电,甲藻是可以进行光合作用的,这意味着它们利用太阳光来生产食物和能量,只需要白天用光照耀这些设备,使它们获得在夜间发光所需的能量。

这些设备的魅力在于其使用非常简易,"它们基本上是免维护的,只需要我们将培养液注入材料中就可以了。只要用阳光给它们充电,它们就可以反复使用至少一个月。我们不需要更换溶液或任何东西。每个设备都是它自己的小生态系统--一种工程化的活体材料。"

最大的挑战是弄清楚如何保持甲藻在材料结构内的活力和繁荣。"研究报告的第一作者李成来说:"当你把活的生物体放在一个合成的、封闭的空间里时,你需要考虑如何使这个空间适合居住,例如,它将让空气进出,同时仍然保持你想要的材料特性。"他指出,关键是要使他使用的弹性聚合物有足够的孔隙,使氧气等气体能够通过,而不会使培养液漏出。甲藻可以在这种材料中生存一个多月。

研究人员现在正在用甲藻类创造新的发光材料。在这项研究中,甲藻只是填补了一个已经存在的材料的空洞。在他们工作的下一阶段,该团队正在使用它们作为材料本身的一种成分。李说:"这可以为我们今后可以实验的尺寸和形状提供更多的多样性。"

该团队对这项工作可能给海洋生物学和材料科学领域带来的可能性感到兴奋,研究人员表示这可以继续从基础研究方面推进我们对生物发光系统的理解,同时为各种应用创造条件,从生物力传感器到无电子机器人等等。

关键词: 材料科学 国创上头条 航空航天工

责任编辑:FG003

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