Debido a que los dispositivos no necesitan componentes electrónicos para encenderse, son una excelente opción para desarrollar robots blandos que exploren los mares profundos y otras áreas oscuras. Crédito: Universidad de California – San Diego
Los dispositivos se pueden cargar con luz.
Investigadores de la Universidad de California, San Diego, han creado dispositivos flexibles que contienen algas que, cuando se someten a estrés mecánico, como presionar, estirar, torcer o doblar, brillan en la oscuridad. Los dispositivos son excelentes para crear robots blandos que exploran mares profundos y otras áreas oscuras porque no necesitan componentes electrónicos para encenderse, dicen los investigadores.
La investigación fue publicada recientemente en la revista
The bioluminescent waves that may sometimes be seen at San Diego’s beaches during red tide events served as the researchers’ inspiration for these gadgets. The senior author of the research, Shengqiang Cai, a professor of mechanical and aerospace engineering at the UC San Diego Jacobs School of Engineering, was intrigued to find out more about what creates this stunning display while watching the glowing blue waves with his family one spring night.
Los investigadores de UC San Diego han desarrollado dispositivos flexibles que contienen algas que brillan en la oscuridad cuando se someten a tensiones mecánicas, como aplastarlas, estirarlas, torcerlas o doblarlas. Los dispositivos no necesitan componentes electrónicos para producir luz, lo que los hace ideales para construir robots flexibles para explorar mares profundos y otros entornos oscuros. Crédito: Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego
La fuente del resplandor es un tipo de algas unicelulares llamadas dinoflagelados. Pero lo que particularmente fascinó a Cai fue saber que los dinoflagelados producen luz cuando se someten a tensiones mecánicas, como las fuerzas de las olas del océano. “Fue muy interesante para mí porque mi investigación se centra en la mecánica de los materiales, todo sobre cómo la tensión y el estrés afectan el comportamiento de los materiales”, dijo.
Cai quería aprovechar este brillo natural para desarrollar dispositivos robóticos suaves que pudieran usarse en la oscuridad sin electricidad. Se asoció con Michael Latz, biólogo marino de la Institución Scripps de Oceanografía de UC San Diego, que estudia la bioluminiscencia en dinoflagelados y cómo responde a diversas condiciones de flujo de agua. La colaboración fue una oportunidad perfecta para fusionar la investigación básica de Latz sobre bioluminiscencia con el trabajo de ciencia de materiales de Cai para aplicaciones robóticas.
Para fabricar los dispositivos, los investigadores inyectan una solución de cultivo del dinoflagelado Pyrocystis lunula en una cavidad de un material flexible, elástico y transparente. El material puede tener cualquier forma: aquí los investigadores probaron una variedad de formas, incluidas láminas planas, estructuras en forma de X y bolsillos pequeños.
Cuando el material se aprieta, estira o deforma de alguna manera, hace que la solución de dinoflagelados fluya hacia el interior. El estrés mecánico de este flujo desencadena el resplandor de los dinoflagelados. Una característica clave del diseño aquí es que la superficie interior del material está revestida con pequeños pilares para darle una textura interior rugosa. Esto interrumpe el flujo de fluido dentro del material y lo hace más fuerte. Un flujo más fuerte aplica más estrés a los dinoflagelados, lo que a su vez provoca un brillo más brillante.
Los dispositivos son tan sensibles que incluso un ligero toque es suficiente para que brillen. Los investigadores también hicieron que los dispositivos brillaran haciéndolos vibrar, dibujando en sus superficies y soplando aire sobre ellos para que se doblaran y se balancearan, lo que demuestra que potencialmente podrían usarse para recolectar energía y aire para producir luz. Los investigadores también insertaron pequeños imanes dentro de los dispositivos para que pudieran ser dirigidos magnéticamente, brillando mientras se movían y se contorsionaban.
Los dispositivos se pueden cargar con luz. Los dinoflagelados son fotosintéticos, lo que significa que utilizan la luz solar para producir alimentos y energía. La luz brillante de los dispositivos durante el día les da el jugo que necesitan para brillar por la noche.
La belleza de estos dispositivos, señaló Cai, es su simplicidad. “Prácticamente no requieren mantenimiento. Una vez que inyectamos la solución de cultivo en los materiales, eso es todo. Siempre que se recarguen con la luz solar, se pueden usar una y otra vez durante al menos un mes. No necesitamos cambiar la solución ni nada. Cada dispositivo es su propio pequeño ecosistema, un material vivo diseñado.
El mayor desafío fue descubrir cómo mantener a los dinoflagelados vivos y prosperando dentro de las estructuras materiales. “Cuando colocas organismos vivos en un espacio cerrado sintético, tienes que pensar en cómo hacer que ese espacio sea habitable, cómo dejará entrar y salir aire, por ejemplo, manteniendo las propiedades materiales que deseas”, dijo el primer investigador del estudio. autor, Chenghai Li, quien tiene un doctorado en ingeniería mecánica y aeroespacial. estudiante en el laboratorio de Cai. La clave, señaló Li, era hacer que el polímero elástico con el que estaba trabajando fuera lo suficientemente poroso para que gases como el oxígeno pudieran atravesarlo sin que se escapara la solución de cultivo. Los dinoflagelados pueden sobrevivir más de un mes dentro de este material.
Los investigadores ahora están creando nuevos materiales brillantes con dinoflagelados. En este estudio, los dinoflagelados simplemente llenan la cavidad con material ya existente. En la siguiente etapa de su trabajo, el equipo los usa como ingrediente en el material mismo. “Podría proporcionar más versatilidad en tamaños y formas con las que podamos experimentar en el futuro”, dijo Li.
El equipo está entusiasmado con las posibilidades que este trabajo podría brindar a los campos de la biología marina y la ciencia de los materiales. “Es una gran demostración del uso de organismos vivos para una aplicación de ingeniería”, dijo Latz. “Este trabajo continúa avanzando en nuestra comprensión de los sistemas bioluminiscentes en el lado de la investigación básica mientras allana el camino para una variedad de aplicaciones, que van desde sensores de fuerza biológica hasta robótica sin electrónica y mucho más”.
“Mecanoluminiscencia biohíbrida altamente robusta y suave para iluminación y señalización óptica” por Chenghai Li, Qiguang He, Yang Wang, Zhijian Wang, Zijun Wang, Raja Annapooranan, Michael I. Latz y Shengqiang Cai, 7 de julio de 2022, Naturaleza Comunicación.
DOI: 10.1038/s41467-022-31705-6
El estudio fue financiado por la Oficina de Investigación Naval y la Oficina de Investigación del Ejército.
