《Nature》子刊：适用光学信号传递及照明的生物混合发光器件！

火币交易所 2022年10月01日 08:17 122 Connor

生物混合是一种新兴的、有前景的构建功能新颖、能源效率高、适应性强、智能化的软机器人和软机器的方法。尽管生物混合系统有许多独特的优点，但众所周知，大多数生物混合系统的寿命相对较短，需要复杂的制造过程，只有仔细维护才能保持功能。

在此，来自美国加州大学圣迭戈分校的Shengqiang Cai等研究者，介绍了一种简单的方法，通过将生物性发光的单细胞海洋藻类甲鞭藻封装在软弹性体室中，来创建一种高鲁棒性和无动力的软生物杂交机械发光。相关论文以题为“Highly robust and soft biohybrid mechanoluminescence for optical signaling and illumination”发表在Nature Communications上。

论文链接：

近年来，生物混合方法，被广泛应用于构建具有多种功能的不同形式的软件设备和机器人。例如，心肌细胞等肌肉细胞已经与弹性体或水凝胶结构集成，以实现低功耗的定制和复杂的驱动。经过基因工程改造的大肠杆菌被集成了软爪或水凝胶，感知特定的化学刺激，然后产生荧光。生物混合系统，利用定制的生物功能和工程材料/结构，可以再现生物的一些特性，包括复杂的性能、智能和自主控制、高能效和对环境的高度适应性。虽然生物混合方法，为软机器人和软机器的设计开辟了新的领域，但大多数生物混合系统的寿命相对较短，通常在几天内，需要特殊维护以保持其正常功能和延长其寿命。此外，许多生物混合系统对外界刺激的响应的时间尺度通常很长，例如，基于大肠杆菌的生物混合传感器的几个小时，这是许多应用的限制因素。

可视化机械变形或力的能力，最近被引入到各种用于本体感知和外部感知的软机器人装置中。例如，软弹性体可以通过变形改变颜色，被称为机械变色，已被用于构建一个软夹持器，以可视化变形的程度。在基于液晶弹性体的软致动器中，也实现了类似的机械致变色响应。此外，还探索了光子晶体阵列来可视化机械变形/力。然而，这些设计都不能发光，所以在黑暗环境中可视化变形或力仍然是非常具有挑战性的。为了产生光，一种高度可拉伸的电致发光皮肤，最近被开发出来，用于光学信号和触觉传感的软机器人。然而，这样的设计需要电子元件和电源供应，这可能会使系统和软件机器人的制造复杂化。

机械发光，是由于机械作用在材料上引起的光发射过程，在黑暗环境中很容易被检测到。大多数机械发光材料是无机固体，如SrAl2O4:Eu2+和ZnS:Cu/Mn2+，它们是硬而脆的，因此不兼容软的和可拉伸的器件。最近，机械发光陶瓷颗粒，被嵌入到弹性体中，以制造可拉伸的复合材料，但这仍然需要较大的应变率和应力来产生光。最近，机械分子也被纳入到聚合物网络中，以制造柔软和可拉伸的弹性体，其中大多数可以发出由于键断裂引起的光。然而，破坏性特征不允许材料的重复使用和产生的光的强度通常很弱。相比之下，自然界中生物发光现象相当普遍，产生的光具有很高的能源效率。设计一种制造工艺简单、瞬时响应、灵敏度高、寿命长的无电子软生物混合机械发光器件，可以实现无栓系、小尺度和智能系统。然而，据目前所知，这样的设计还没有实现。

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本研究的目的是，探讨利用海洋生物发光的常见来源、生物性发光的鞭毛藻和单细胞海洋藻类，构建一种软而坚固的生物混合机械发光装置的可行性。生物发光生物广泛分布在海洋和陆地环境中，其发光功能包括防御捕食者、吸引配偶、吸引猎物和照明，以及种内交流。

总之，研究者提出了一种简单的方法，将生物发光的鞭毛藻与软材料相结合，以构建一种高度可拉伸、无功率和超敏感的机械发光。鞭毛藻生物发光是一种对机械应力的反应，由于流动和触摸，涉及一个复杂的细胞内信号通路。这种生物发光是一种明显显著的现象，经常发生在沿海地区。低至几个Pa的压力水平可以激活鞭毛藻的生物发光，从刺激到反应的潜伏期仅为15-20 ms，从而产生超高和接近瞬时的力敏感性。最值得注意的是，鞭毛藻可以非常健壮，通过功能性生物发光响应耐受不同的条件，作为海洋和实验室可视化的机械应力报告。（文：水生）

图1 生物杂化机械发光的工作原理及潜在的应用。

图2 软生物杂交机械发光的设计、工作原理及简单演示。

图3 不同负载条件下生物杂化器件光强的表征。

图4 接触式和非接触式刺激激活生物混合机械发光装置以观察外部机械扰动。

图5 生物混合机械发光致动器/机器人在黑暗环境中的主动或被动机械扰动诱导照明。

图6 生物混合机械发光致动器/机器人在黑暗环境下的光信号。

图7一种具有封闭系统的非系留磁控制软机械发光机器人。

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标签：光学发光器件混合信号