Investigadores de la Universidad de California en San Diego han desarrollado dispositivos blandos que contienen algas que brillan en la oscuridad cuando experimentan tensión mecánica, como aplastarlas, estirarlas, torcerlas o doblarlas. Los dispositivos no requieren ningún componente electrónico para encenderse, lo que los convierte en una opción ideal para construir robots blandos que exploren las profundidades del mar y otros entornos oscuros, dijeron los investigadores.

El trabajo fue publicado recientemente en Nature Communications.

Los investigadores se inspiraron para estos dispositivos en las ondas bioluminiscentes que a veces ocurren en las playas de San Diego durante los eventos de marea roja. Shengqiang Cai, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor principal del estudio, estaba mirando las olas azules brillantes con su familia una noche de primavera y tenía curiosidad por saber más sobre las causas de esta impresionante exhibición.

La fuente del resplandor es un tipo de algas unicelulares llamadas dinoflagelados. Pero lo que fascinó a Cai en particular fue saber que los dinoflagelados producen luz cuando se someten a estrés mecánico, como las fuerzas de las olas del océano. «Esto fue muy interesante para mí porque mi investigación se centra en la mecánica de los materiales, todo lo relacionado con cómo la deformación y el estrés afectan el comportamiento del material», dijo.

Cai quería aprovechar este brillo natural para desarrollar dispositivos para robots blandos que se pueden usar 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 fundamental de Latz sobre bioluminiscencia con el trabajo de ciencia de materiales de Cai para aplicaciones robóticas.

Para hacer los dispositivos, los investigadores inyectan una solución de cultivo del dinoflagelado Pyrocystis lunula dentro de una cavidad de un material suave, 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 bolsas pequeñas.

Cuando el material se presiona, estira o deforma de alguna manera, hace que fluya la solución de dinoflagelado en el interior. El estrés mecánico de ese flujo hace que los dinoflagelados brillen. 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 perturba 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 toque suave 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 podrían usarse potencialmente para recolectar el flujo de aire para producir luz. Los investigadores también insertaron pequeños imanes dentro de los dispositivos para que puedan ser dirigidos magnéticamente, brillando mientras se mueven y se retuercen.

Los dispositivos se pueden recargar con luz. Los dinoflagelados son fotosintéticos, lo que significa que utilizan la luz solar para producir alimentos y energía. La luz brillante en los dispositivos durante el día les da el jugo que necesitan para brillar durante la noche.

La belleza de estos dispositivos, señaló Cai, es su simplicidad. «Básicamente no requieren mantenimiento. Una vez que inyectamos solución de cultivo en los materiales, eso es todo. Mientras se recarguen con la luz solar, se pueden usar una y otra vez durante al menos un mes. No necesitamos cambiar encontrar la solución ni nada. Cada dispositivo es su propio pequeño ecosistema : un material vivo diseñado».

El mayor desafío fue averiguar cómo mantener a los dinoflagelados vivos y prosperando dentro de las estructuras materiales. «Cuando colocas organismos vivos dentro de un espacio cerrado sintético, debes pensar en cómo hacer que ese espacio sea habitable, por ejemplo, cómo dejará entrar y salir el aire, manteniendo las propiedades materiales que deseas». «, dijo el primer autor del estudio, Chenghai Li, un Ph.D. en ingeniería mecánica y aeroespacial. estudiante en el laboratorio de Cai. La clave, señaló Li, era hacer que el polímero elástico con el que trabajaba fuera lo suficientemente poroso para que gases como el oxígeno pasaran sin que se filtrara 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 los dinoflagelados. En este estudio, los dinoflagelados simplemente llenan la cavidad de un material ya existente. En la siguiente etapa de su trabajo, el equipo los está utilizando como ingrediente del material mismo. «Esto podría proporcionar más versatilidad en los tamaños y formas con los que podemos 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. «Esta es una clara demostración del uso de organismos vivos para una aplicación de ingeniería», dijo Latz. «Este trabajo continúa avanzando en nuestra comprensión de los sistemas bioluminiscentes desde el lado de la investigación básica, al mismo tiempo que sienta las bases para una variedad de aplicaciones, que van desde sensores de fuerza biológica hasta robótica sin electrónica y mucho más».

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval (subvención N00014-17-1-2062) y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. (subvención 2911NF-20-2-0182).

Vídeo : https://youtu.be/JhwUB7KIex4