【柔らかく生きた素材がストレスに反応して光る、藻類で作られたソフトウェア】刺激を受けて光る生きた素材を開発したぞ
カリフォルニア大学サンディエゴ校を中心とする研究チームは、圧縮、伸張、ねじれなどの機械的ストレスに反応して発光する、耐久性のある3Dプリント材料を開発しました。
この材料は、単細胞藻類である渦鞭毛藻から得られています。 この研究は、サンディエゴのビーチで見られる生物発光波の現象からインスピレーションを得ており、10月20日に『Science Advances』に掲載されました。
「UCサンディエゴ・ジェイコブス工学部の機械・航空宇宙工学教授である上席著者Shengqiang Cai氏は、「これらの材料の興味深い特徴は、電子機器や外部電源を必要とせず、非常にシンプルであることです。私たちは、自然の力を利用して、機械的刺激を直接光に変換することができることを証明しています」と述べました。
この研究は、蔡教授の研究室のエンジニアと材料科学者、UCサンディエゴのスクリップス海洋研究所の海洋生物学者マイケル・ラッツ、アムステルダム大学の物理学教授マズィヤール・ジャラールが参加した学際的な研究です。
この生物発光材料は、渦鞭毛藻とアルギン酸という海藻ベースのポリマーから作られています。これらの成分を混ぜて溶液を作り、それを3Dプリンターで形成し、最終的に硬化させたものです。 材料が圧縮、伸張、ねじれると、内部の渦鞭毛藻が発光して反応します。この反応は、海洋で捕食者に対する防衛手段として渦鞭毛藻が発光する自然現象を模倣しています。研究者たちは、素材を押すことで発光を観察しました。
素材は、軽い発泡スチロールの重さですら光ります。 加えられた応力が大きいほど、光はより明るくなります。研究者たちは、この挙動を数学モデルで予測することができるようにしました。 研究者たちは、さまざまな実験条件で材料に弾力性を持たせる技術も開発しました。材料を補強するために、ポリ（エチレングリコール）ジアクリレートという2番目のポリマーを添加しました。また、エコフレックスという伸縮性のあるゴム状ポリマーで素材をコーティングすることで、酸性および塩基性溶液中でも保護することができるようになりました。この保護層により、素材はその形状や生物発光特性を損なうことなく、海水中で最大5ヶ月間保存することが可能です。
この素材のもう一つの利点は、メンテナンスが最小限で済むことです。渦鞭毛藻は、周期的な明暗サイクルが必要です。明るい時には光合成を行い、暗い時には機械的ストレスに反応して発光します。この挙動は、海洋で渦鞭毛藻が生物発光を起こす自然プロセスを反映しています。 「今回の研究は、生物と非生物を組み合わせて、自然界で起こる基本的な機械的刺激に応答し、自己発光する新しい材料を簡単に作る方法を示しています」と、蔡研究室の機械・航空宇宙工学の博士候補である筆頭著者Chenghai Li氏は述べています。
研究者たちは、これらの材料が圧力、ひずみ、応力を測定するための機械センサーとして使用される可能性や、ソフトなロボット工学、生物医学装置の治療や薬物放出の制御など、他の応用の可能性についても考えています。 しかし、これらの応用を実現するためには、まだ多くの課題が残っています。研究者たちは、材料の改善と最適化に取り組んでいます。
論文の共著者には、カリフォルニア大学サンディエゴ校のZijun Wang氏とNada F.Qari氏、およびアムステルダム大学のNico Schramma氏が含まれています。
オーダーメイドAIから作成
動画で紹介されているけれど、思った以上に幻想的な光でこういうおもちゃがあったらほしい。
夜光虫という渦鞭毛層の一種でこの生物は刺激を受けて発光するタイプがいる。サンディエゴのビーチではとても美しい景色を見ることができる。
刺激を受けて発光する渦鞭毛層にアルギン酸を混ぜてハイドロゲルを作成し、生きた素材を作ってみたら、物理的な刺激で発光する。なお、特に餌などを与えずに５ヶ月ほど機能していたという。
電気を使わずに発光する素材があれば、例えば雪山で遭難したときも、ずっと発光していられる。あ、氷点下では機能するんだろうか。
とはいえ、機能する期限があるので、補完できないのはやはりデメリットか。でも、使いどころはたくさんありそう。エンターテインメント系で舞台装置に活用できないかな。
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