Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont mis au point des dispositifs souples contenant des algues qui brillent dans le noir lorsqu'ils subissent des contraintes mécaniques, comme être écrasés, étirés, tordus ou pliés. Les appareils ne nécessitent aucune électronique pour s'allumer, ce qui en fait un choix idéal pour construire des robots mous qui explorent les profondeurs marines et d'autres environnements sombres, ont déclaré les chercheurs.

Le travail a été publié récemment dans Nature Communications .

Les chercheurs se sont inspirés pour ces appareils des ondes bioluminescentes qui se produisent parfois sur les plages de San Diego lors des marées rouges. Shengqiang Cai, professeur de génie mécanique et aérospatial à la UC San Diego Jacobs School of Engineering et auteur principal de l'étude, regardait les vagues bleues brillantes avec sa famille une nuit de printemps et était curieux d'en savoir plus sur les causes de cet impressionnant affichage.

La source de la lueur est un type d'algues unicellulaires appelées dinoflagellés. Mais ce qui a particulièrement fasciné Cai, c'est d'apprendre que les dinoflagellés produisent de la lumière lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques, telles que les forces des vagues de l'océan. "C'était très intéressant pour moi, car mes recherches portent sur la mécanique des matériaux, c'est-à-dire sur tout ce qui concerne la manière dont la déformation et les contraintes affectent le comportement des matériaux", a-t-il déclaré.

Cai voulait exploiter cette lueur naturelle pour développer des dispositifs pour robots mous pouvant être utilisés dans l'obscurité sans électricité. Il a fait équipe avec Michael Latz, biologiste marin à la Scripps Institution of Oceanography de l'UC San Diego, qui étudie la bioluminescence chez les dinoflagellés et comment elle réagit à diverses conditions de débit d'eau. Cette collaboration a été l'occasion idéale de fusionner les recherches fondamentales de Latz sur la bioluminescence avec les travaux de science des matériaux de Cai pour les applications robotiques.

Pour fabriquer les dispositifs, les chercheurs injectent une solution de culture du dinoflagellé Pyrocystis lunula dans une cavité d'un matériau souple, extensible et transparent. Le matériau peut avoir n'importe quelle forme. Ici, les chercheurs ont testé une variété de formes, y compris des feuilles plates, des structures en forme de X et de petites pochettes.

Lorsque le matériau est pressé, étiré ou déformé de quelque manière que ce soit, il provoque l'écoulement de la solution de dinoflagellés à l'intérieur. Le stress mécanique de ce flux déclenche la lueur des dinoflagellés. Une caractéristique clé de la conception ici est que la surface intérieure du matériau est bordée de petits piliers pour lui donner une texture intérieure rugueuse. Cela perturbe l'écoulement du fluide à l'intérieur du matériau et le rend plus résistant. Un flux plus fort applique plus de stress aux dinoflagellés, ce qui à son tour déclenche une lueur plus brillante.

Les appareils sont si sensibles que même un léger tapotement suffit à les faire briller. Les chercheurs ont également fait briller les appareils en les faisant vibrer, en dessinant sur leurs surfaces et en soufflant de l'air dessus pour les faire se plier et se balancer, ce qui montre qu'ils pourraient potentiellement être utilisés pour récolter le flux d'air afin de produire de la lumière. Les chercheurs ont également inséré de petits aimants à l'intérieur des appareils afin qu'ils puissent être dirigés magnétiquement, brillant lorsqu'ils se déplacent et se contorsionnent.

Les appareils peuvent être rechargés avec de la lumière. Les dinoflagellés sont photosynthétiques, ce qui signifie qu'ils utilisent la lumière du soleil pour produire de la nourriture et de l'énergie. La lumière brillante sur les appareils pendant la journée leur donne le jus dont ils ont besoin pour briller pendant la nuit.

La beauté de ces appareils, a noté Cai, est leur simplicité. "Ils sont pratiquement sans entretien. Une fois que nous avons injecté une solution de culture dans les matériaux, c'est tout. Tant qu'ils sont rechargés avec la lumière du soleil, ils peuvent être utilisés encore et encore pendant au moins un mois. Nous n'avons pas besoin de changer trouver la solution ou quoi que ce soit. Chaque appareil est son propre petit écosystème, un matériau vivant conçu."

Le plus grand défi consistait à trouver comment maintenir les dinoflagellés en vie et prospérer à l'intérieur des structures matérielles. "Lorsque vous placez des organismes vivants dans un espace clos synthétique, vous devez réfléchir à la façon de rendre cet espace habitable - comment il laissera entrer et sortir l'air, par exemple - tout en conservant les propriétés matérielles que vous souhaitez", a déclaré le premier auteur de l'étude, Chenghai Li, titulaire d'un doctorat en génie mécanique et aérospatial. étudiant dans le laboratoire de Cai. La clé, a noté Li, était de rendre le polymère élastique avec lequel il travaillait suffisamment poreux pour que des gaz comme l'oxygène puissent passer à travers sans que la solution de culture ne s'échappe. Les dinoflagellés peuvent survivre plus d'un mois à l'intérieur de ce matériau.

Les chercheurs créent maintenant de nouveaux matériaux incandescents avec les dinoflagellés. Dans cette étude, les dinoflagellés remplissent simplement la cavité d'un matériau déjà existant. Dans la prochaine étape de leur travail, l'équipe les utilise comme ingrédient du matériau lui-même. "Cela pourrait offrir plus de polyvalence dans les tailles et les formes que nous pouvons expérimenter à l'avenir", a déclaré Li.

L'équipe est enthousiasmée par les possibilités que ce travail pourrait apporter aux domaines de la biologie marine et de la science des matériaux. "C'est une belle démonstration de l'utilisation d'organismes vivants pour une application d'ingénierie", a déclaré Latz. "Ce travail continue de faire progresser notre compréhension des systèmes bioluminescents du côté de la recherche fondamentale tout en ouvrant la voie à une variété d'applications, allant des capteurs de force biologiques à la robotique sans électronique et bien plus encore." + Explorer plus loin

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