تتوهج الأجهزة اللينة التي تعمل بالطاقة الطحالب في الظلام عند سحقها أو تمددها
ابتكر باحثو جامعة كاليفورنيا في سان دييغو أجهزة ناعمة تحتوي على طحالب تتوهج في الظلام عند تعرضها لضغط ميكانيكي، مثل الضغط أو التمدد أو الالتواء أو الانحناء. تعتبر الأجهزة مثالية لإنشاء روبوتات ناعمة تستكشف أعماق البحار والمناطق المظلمة الأخرى لأنها لا تحتاج إلى أي إلكترونيات لتضيء، وفقًا للباحثين.
نُشر البحث مؤخرًا في مجلة Nature Communications .
كانت الموجات الحيوية التي يمكن رؤيتها أحيانًا على شواطئ سان دييغو أثناء أحداث المد الأحمر بمثابة مصدر إلهام للباحثين لهذه الأجهزة. كان المؤلف الرئيسي للبحث، Shengqiang Cai ، أستاذ الهندسة الميكانيكية والفضاء في كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس ، مفتونًا بمعرفة المزيد حول ما يخلق هذا العرض المذهل أثناء مشاهدة الأمواج الزرقاء المتوهجة مع عائلته في ربيع واحد ليلة.
طور باحثو جامعة كاليفورنيا في سان دييغو أجهزة ناعمة تحتوي على طحالب تتوهج في الظلام عند التعرض للإجهاد الميكانيكي، مثل الضغط أو التمدد أو الالتواء أو الانحناء. لا تحتاج الأجهزة إلى إلكترونيات لإنتاج الضوء، مما يجعلها مثالية لبناء روبوتات ناعمة لاستكشاف أعماق البحار والبيئات المظلمة الأخرى. الائتمان: كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس
مصدر التوهج هو نوع من الطحالب أحادية الخلية تسمى دينوفلاجيلات. ولكن ما أذهل كاي، على وجه الخصوص، هو معرفة أن الدينوفلاجيلات تنتج الضوء عند تعرضها لضغط ميكانيكي، مثل القوى من أمواج المحيط. قال: “كان هذا مثيرًا للاهتمام للغاية بالنسبة لي لأن بحثي يركز على ميكانيكا المواد – أي شيء يتعلق بكيفية تأثير التشوه والضغط على السلوك المادي”.
أراد Cai تسخير هذا التوهج الطبيعي لتطوير أجهزة للروبوتات اللينة التي يمكن استخدامها في الظلام بدون كهرباء. لقد تعاون مع مايكل لاتز ، عالم الأحياء البحرية في معهد سكريبس لعلوم المحيطات بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو، والذي يدرس التلألؤ الحيوي في دينوفلاجيلات وكيف يستجيب لظروف تدفق المياه المختلفة. كان التعاون فرصة مثالية لدمج أبحاث Latz الأساسية حول التلألؤ الحيوي مع عمل Cai في علم المواد لتطبيقات الروبوتات.
لتصنيع الأجهزة، يحقن الباحثون محلول استنبات من دينوفلاجيلات Pyrocystis lunula داخل تجويف من مادة ناعمة ومرنة وشفافة. يمكن أن تكون المادة بأي شكل – هنا، اختبر الباحثون مجموعة متنوعة من الأشكال بما في ذلك الألواح المسطحة والهياكل على شكل X والأكياس الصغيرة.
عندما يتم ضغط المادة أو شدها أو تشوهها بأي شكل من الأشكال، فإنها تتسبب في تدفق محلول دينوفلاجيلات بالداخل. يؤدي الضغط الميكانيكي الناتج عن هذا التدفق إلى توهج دينوفلاجيلات. الميزة الرئيسية للتصميم هنا هي أن السطح الداخلي للمادة مبطّن بأعمدة صغيرة لمنحها ملمسًا داخليًا خشنًا. يؤدي هذا إلى اضطراب تدفق السوائل داخل المادة ويجعلها أقوى. يؤدي التدفق الأقوى إلى مزيد من الضغط على السوطيات الديناميكية، والتي بدورها تؤدي إلى توهج أكثر إشراقًا.
الأجهزة حساسة للغاية لدرجة أنه حتى نقرة خفيفة تكفي لجعلها تتوهج. كما جعل الباحثون الأجهزة تتوهج عن طريق اهتزازها، والرسم على أسطحها، ونفخ الهواء عليها لجعلها تنحني وتتأرجح – مما يدل على أنه يمكن استخدامها لتجميع تدفق الهواء لإنتاج الضوء. أدخل الباحثون أيضًا مغناطيسًا صغيرًا داخل الأجهزة بحيث يمكن توجيهها مغناطيسيًا وتوهجها أثناء تحركها والتواءها.
يمكن إعادة شحن الأجهزة بالضوء. دينوفلاجيلات هي ضوئي، مما يعني أنها تستخدم ضوء الشمس لإنتاج الغذاء والطاقة. إن تسليط الضوء على الأجهزة أثناء النهار يمنحها العصير الذي تحتاجه للتوهج أثناء الليل.
لاحظ كاي أن جمال هذه الأجهزة يكمن في بساطتها. “هم في الأساس لا يحتاجون إلى صيانة. بمجرد حقن محلول الثقافة في المواد، هذا كل شيء. طالما يتم إعادة شحنها بأشعة الشمس، يمكن استخدامها مرارًا وتكرارًا لمدة شهر على الأقل. لا نحتاج إلى تغيير الحل أو أي شيء. يمثل كل جهاز نظامًا إيكولوجيًا صغيرًا خاصًا به — وهو مادة حية مصممة هندسيًا. “
كان التحدي الأكبر هو معرفة كيفية الحفاظ على دينوفلاجيلات حية ومزدهرة داخل الهياكل المادية. “عندما تضع كائنات حية داخل مساحة اصطناعية مغلقة، فأنت بحاجة إلى التفكير في كيفية جعل هذا الفضاء صالحًا للسكن – كيف سيسمح للهواء بالدخول والخروج، على سبيل المثال – مع الاحتفاظ بخصائص المواد التي تريدها،” قال المؤلف الأول للدراسة تشنغهاي لي، وهو حاصل على دكتوراه في الهندسة الميكانيكية والفضائية. طالب في مختبر كاي. لاحظ لي أن المفتاح هو صنع البوليمر المرن الذي كان يعمل به مسامي بما يكفي لتمرير غازات مثل الأكسجين دون تسرب محلول الاستنبات. يمكن أن تعيش dinoflagellates لأكثر من شهر داخل هذه المادة.
يقوم الباحثون الآن بإنشاء مواد متوهجة جديدة باستخدام الدينوفلاجيلات. في هذه الدراسة، تملأ الدينوفلاجيلات ببساطة تجويف مادة موجودة بالفعل. في المرحلة التالية من عملهم، يستخدمهم الفريق كعنصر من مكونات المادة نفسها. قال لي: “يمكن أن يوفر هذا مزيدًا من التنوع في الأحجام والأشكال التي يمكننا تجربتها للمضي قدمًا”.
الفريق متحمس للإمكانيات التي يمكن أن يجلبها هذا العمل إلى مجالات البيولوجيا البحرية وعلوم المواد. قال لاتز: “هذا دليل رائع على استخدام الكائنات الحية في تطبيقات هندسية”. “يستمر هذا العمل في تعزيز فهمنا لأنظمة الإضاءة الحيوية من جانب البحث الأساسي مع تمهيد الطريق لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بدءًا من مستشعرات القوة البيولوجية إلى الروبوتات الخالية من الإلكترونيات وغير ذلك الكثير.”
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
