Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram dispositivos macios contendo algas que brilham no escuro quando sofrem estresse mecânico, como ser esmagado, esticado, torcido ou dobrado. Os dispositivos não precisam de nenhum componente eletrônico para acender, tornando-os a escolha ideal para construir robôs macios que exploram o mar profundo e outros ambientes escuros, disseram os pesquisadores.
O trabalho foi publicado recentemente na Nature Communications .

Os pesquisadores se inspiraram para esses dispositivos nas ondas bioluminescentes que às vezes ocorrem nas praias de San Diego durante os eventos de maré vermelha. Shengqiang Cai, professor de engenharia mecânica e aeroespacial da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs e autor sênior do estudo, estava observando as ondas azuis brilhantes com sua família em uma noite de primavera e estava curioso para saber mais sobre o que causa essa exibição impressionante.

A fonte do brilho é um tipo de alga unicelular chamada dinoflagelados. Mas o que fascinou Cai em particular foi saber que os dinoflagelados produzem luz quando submetidos a estresse mecânico, como as forças das ondas do mar. "Isso foi muito interessante para mim porque minha pesquisa se concentra na mecânica dos materiais - qualquer coisa relacionada a como a deformação e o estresse afetam o comportamento do material", disse ele.

Cai queria aproveitar esse brilho natural para desenvolver dispositivos para robôs macios que podem ser usados ​​no escuro sem eletricidade. Ele se juntou a Michael Latz, biólogo marinho da Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego, que estuda a bioluminescência em dinoflagelados e como ela responde a várias condições de fluxo de água. A colaboração foi uma oportunidade perfeita para fundir a pesquisa fundamental de Latz sobre bioluminescência com o trabalho de ciência de materiais de Cai para aplicações robóticas.

Para fazer os dispositivos, os pesquisadores injetam uma solução de cultura da lúnula do dinoflagelado Pyrocystis dentro de uma cavidade de um material macio, elástico e transparente. O material pode ter qualquer formato – aqui, os pesquisadores testaram uma variedade de formatos, incluindo folhas planas, estruturas em forma de X e pequenas bolsas.

Quando o material é pressionado, esticado ou deformado de alguma forma, faz com que a solução de dinoflagelado flua no interior. O estresse mecânico desse fluxo faz com que os dinoflagelados brilhem. Uma característica chave do design aqui é que a superfície interna do material é forrada com pequenos pilares para dar uma textura interna áspera. Isso perturba o fluxo de fluido dentro do material e o torna mais forte. Um fluxo mais forte aplica mais estresse aos dinoflagelados, o que, por sua vez, desencadeia um brilho mais intenso.

Os dispositivos são tão sensíveis que até um toque suave é suficiente para fazê-los brilhar. Os pesquisadores também fizeram os dispositivos brilharem vibrando-os, desenhando em suas superfícies e soprando ar sobre eles para fazê-los dobrar e balançar – o que mostra que eles poderiam ser usados ​​para coletar o fluxo de ar para produzir luz. Os pesquisadores também inseriram pequenos ímãs dentro dos dispositivos para que possam ser guiados magneticamente, brilhando enquanto se movem e se contorcem.

Os dispositivos podem ser recarregados com luz. Os dinoflagelados são fotossintéticos, o que significa que usam a luz solar para produzir alimentos e energia. A luz brilhante nos dispositivos durante o dia dá a eles o suco de que precisam para brilhar durante a noite.

A beleza desses dispositivos, observou Cai, é sua simplicidade. "Eles são basicamente livres de manutenção. Uma vez que injetamos solução de cultura nos materiais, é isso. Contanto que eles sejam recarregados com luz solar, eles podem ser usados ​​repetidamente por pelo menos um mês. Não precisamos mudar a solução ou qualquer coisa. Cada dispositivo é seu próprio pequeno ecossistema - um material vivo projetado."

O maior desafio foi descobrir como manter os dinoflagelados vivos e prosperando dentro das estruturas materiais. “Quando você está colocando organismos vivos dentro de um espaço sintético e fechado, você precisa pensar em como tornar esse espaço habitável – como ele deixará o ar entrar e sair, por exemplo – enquanto ainda mantém as propriedades materiais que você deseja”. disse o primeiro autor do estudo, Chenghai Li, Ph.D em engenharia mecânica e aeroespacial. estudante no laboratório de Cai. A chave, observou Li, era tornar o polímero elástico com o qual ele trabalhava poroso o suficiente para que gases como o oxigênio passassem sem que a solução de cultura vazasse. Os dinoflagelados podem sobreviver por mais de um mês dentro desse material.

Os pesquisadores agora estão criando novos materiais brilhantes com os dinoflagelados. Neste estudo, os dinoflagelados simplesmente preenchem a cavidade de um material já existente. Na próxima etapa de seu trabalho, a equipe os está usando como ingrediente do próprio material. "Isso pode fornecer mais versatilidade nos tamanhos e formas que podemos experimentar no futuro", disse Li.

A equipe está animada com as possibilidades que este trabalho pode trazer para os campos da biologia marinha e da ciência dos materiais. "Esta é uma demonstração clara do uso de organismos vivos para uma aplicação de engenharia", disse Latz. “Este trabalho continua a avançar nossa compreensão dos sistemas bioluminescentes do lado da pesquisa básica, enquanto prepara o terreno para uma variedade de aplicações, desde sensores de força biológica até robótica sem eletrônicos e muito mais”. + Explorar mais

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