因为这种装置不需要任何电子设备来照明，所以它们是开发探索深海和其他黑暗区域的软机器人的绝佳选择。图片来源:加州大学圣地亚哥分校
这些设备可以用光充电。
加州大学圣地亚哥分校的研究人员已经创造了含有藻类的软装置，当受到机械压力时，如被挤压、拉伸、扭曲或弯曲，在黑暗中发光。据研究人员称，这些设备非常适合用于制造探索深海和其他黑暗区域的软机器人，因为它们不需要任何电子设备来照明。
这项研究最近发表在《自然通讯》杂志上。
赤潮发生时，有时会在圣地亚哥的海滩上看到生物发光波，这是研究人员设计这些设备的灵感来源。该研究的资深作者蔡胜强(音)是加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院机械和航空航天工程专业的教授，他在一个春夜和家人观看发光的蓝色波浪时，很想知道是什么造成了这种令人惊叹的现象。
加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了含有藻类的软装置，当受到机械压力时，如被压扁、拉伸、扭曲或弯曲，它们会在黑暗中发光。这种设备不需要电子设备来产生光，这使它们成为制造探索深海和其他黑暗环境的软机器人的理想选择。图片来源:加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院
发光的来源是一种叫做鞭毛藻的单细胞藻类。但令蔡特别着迷的是，他了解到鞭毛藻在受到机械压力(比如海浪的压力)时会发光。“这对我来说非常有趣，因为我的研究重点是材料的力学——任何与变形和应力如何影响材料行为有关的东西，”他说。
蔡想要利用这种自然光来开发可以在黑暗中不通电的软机器人设备。他与加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的海洋生物学家迈克尔·拉茨(Michael Latz)合作，后者研究鞭毛藻的生物发光，以及它对各种水流条件的反应。这次合作是一个完美的机会，将Latz在生物发光方面的基础研究与蔡在机器人应用方面的材料科学工作结合起来。
为了制造这种装置，研究人员将甲鞭藻月形热囊藻的培养溶液注入一个柔软、有弹性、透明的材料腔内。这种材料可以是任何形状——在这里，研究人员测试了各种形状，包括平板、x形结构和小袋子。
当材料被挤压、拉伸或以任何方式变形时，它会导致内部的甲藻溶液流动。来自水流的机械压力触发鞭毛藻发光。这里设计的一个关键特征是材料的内表面排列着小柱子，给它一个粗糙的内部纹理。这干扰了材料内部的流体流动，使其更坚固。更强的水流会给鞭毛藻施加更大的压力，从而引发更明亮的光。
这些设备非常敏感，轻轻一拍就足以让它们发光。研究人员还通过振动它们、在它们的表面上绘图、对它们吹气使它们弯曲和摆动来使它们发光——这表明它们有可能被用来收集气流来产生光。研究人员还在这些设备中插入了小磁铁，这样它们就可以通过磁力操纵，在移动和扭曲时发光。
这些设备可以用光充电。甲藻具有光合作用，这意味着它们利用阳光生产食物和能量。白天照射在这些设备上，可以让它们在夜间发光。
蔡指出，这些设备的魅力在于它们的简单。“它们基本上免维护。一旦我们把培养液注入到材料中，就完成了。只要用阳光给它们充电，它们至少可以重复使用一个月。我们不需要改变溶液或其他东西。每个设备都是自己的小生态系统——一种经过工程改造的活材料。”
最大的挑战是弄清楚如何让鞭毛藻在物质结构中存活并茁壮成长。该研究的第一作者李澄海(音译)说:“当你把生物放入一个合成的封闭空间时，你需要考虑如何使这个空间适合居住——例如，它如何让空气进出——同时又保持你想要的材料特性。”李澄海是蔡文勇实验室的机械和航空航天工程博士生。李指出，关键是要使他所研究的弹性聚合物具有足够的多孔性，使氧气等气体可以通过而不会使培养液泄漏。甲藻可以在这种物质中存活一个多月。
研究人员现在正在用鞭毛藻创造新的发光材料。在这项研究中，甲藻只是简单地填充了已经存在的材料的空腔。在他们工作的下一阶段，该团队将把它们作为材料本身的一种成分。“这可以提供更多的尺寸和形状的多样性，我们可以在未来进行试验，”李说。
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。拉茨说:“这是一个将活的有机体用于工程应用的巧妙演示。”“这项工作继续从基础研究方面推进我们对生物发光系统的理解，同时为各种应用奠定了基础，从生物力传感器到无电子机器人等。”
李澄海，何启光，王杨，王志坚，王子军，Raja Annapooranan, Michael I. Latz和蔡盛强，“用于光信号和照明的高鲁差软生物混合机械发光”，2022年7月7日，自然通讯。DOI: 10.1038 / s41467 - 022 - 31705 - 6
该研究由海军研究办公室和陆军研究办公室资助
