UCSD蔡盛强教授团队《Nat. Commun.》：适用于光学信号传递及照明的柔性生物融合力致发光器件

2022-07-22 来源：高分子科技

近年来，生物融合技术（biohybrid/living approach）已经成为一种新兴的构建柔性功能器件及软体机器人的方法。通过结合功能性生物体和人工合成材料，生物融合系统可以再现自然界生物的多种特征，如复杂的功能、自主的控制、高效的能量利用率以及对刺激的高度灵敏性。尽管如此，现有的生物融合系统的功能仍局限于以下三种类型：基于心肌/肌肉细胞的收缩运动构建的驱动器；基于细菌类（如大肠杆菌）感知行为构建的化学传感器；基于生物体的新陈代谢（如酵母菌的呼吸作用）来调控合成材料的性质。虽然力学刺激是自然界中最基本的信号之一，却鲜有研究报道具有力学感知特性的生物融合器件。此外，如何用简易的方法制造生物融合器件、延长其使用寿命、缩短其感知刺激的响应时间、降低其维护成本，仍然是制约其工程应用的关键因素。

针对该问题，受海洋发光生物的启发，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）蔡盛强教授团队，提出了一种简单方法来构建强韧的生物融合力致发光体系。通过将海洋发光甲藻溶液封装到弹性体空腔中，研究者实现了高度强韧且无需电子器件的柔性生物融合力致发光器件。甲藻细胞具有超高的灵敏度（Pa~kPa），在力学刺激下实现近乎瞬时的响应（~20ms），无需特殊维护即可维持其发光能力至少一个月。该设计可轻易地集成到软体机器人中，为黑暗中工作的机器人赋予全新功能，如对外界力学刺激的可视化、在驱动变形下实现发光照明、以及可编程的光学图案用于信号传递。

1．生物融合力致发光器件的潜在应用

如图1所示，作者展望了该力致发光体系在软体机器人中的潜在应用。在光照阶段，封装在机器人中的甲藻溶液通过光合作用产生氧气，同时为其生理活动储存能量。在黑暗阶段，力学刺激驱动机器人变形，引起内部液体流动，进而产生剪切力激活生物发光。首先，在黑暗环境中，力致发光机器人皮肤适用于可视化外部力学扰动，包括接触式和非接触式刺激；其次，在主动驱动或被动干扰下，机器人产生变形，激活力致发光用于照亮黑暗环境；最后，通过编程其变形模式，机器人可显示不同发光图案，用于黑暗中的光学信号传递。

图1.生物融合力致发光软体机器人的工作原理及其在黑暗环境中的潜在应用

2．柔性生物融合力致发光器件的设计

如图2A所示，作者使用透明的弹性体空腔封装甲藻细胞（P.lunula）溶液来制造生物融合器件。该甲藻对环境条件具有较高的耐受性，在全球海洋中广泛分布。P.lunula在光照下进行光合作用，产生氧气并储存能量。在黑暗环境中，当该器件受到力学刺激时，封装在内部的溶液发生扰动，从而产生剪切力激活甲藻固有的生物发光。该器件高度透明(图2B)，允许太阳光和生物光的自由穿透。同时，该器件柔软可变形，在外界载荷作用下可保持结构稳定(图2B)。作者还展示了该器件在拉伸、压缩和自由振动下的发光行为(图2C-D)。作者进而将彩色染料与弹性体溶液混合制作空腔，实现了对发光光谱的调节，拓展了颜色范围(图2E)。

图2.生物融合力致发光器件的设计、工作原理和简单展示

3．柔性生物融合力致发光器件的表征

首先，作者探究了弹性体空腔的内部结构设计对发光强度的影响。如图3A所示，第一种设计具有平坦的内表面，而第二种设计在空腔内部引入了微柱。在相同的力学测试下，光强随着微柱高度h的增加而增加，归因于较高的微柱增强了内部流体的扰动，从而增大了剪切力（图3B)。此外，光强分别随着应变率或应变的增加而增加，可归因于流场中存在更显著的剪切力（图3C-D)。

图3.力致发光器件在不同力学加载条件下的发光强度

4．力致发光器件用于实现外部力学扰动的可视化

在本部分，作者展示了力致发光器件可在接触式和非接触式刺激下发光，以用于可视化外部力学扰动。作者使用不同形状的压头逐渐压缩该器件然后缓慢释放，发光图案与物体的几何形状完美吻合（图4A-D)。光强在压缩阶段逐渐增大，在释放阶段逐渐减少，进而定性地反映压缩过程。单个细胞即为单个传感单元，提供了超高的空间分辨率。在面板上书写时，笔尖压缩下方的甲藻细胞并激活生物发光，显示出书写轨迹（图4E)。在气流扰动下，多彩的器件被激活发光，可作为潜在的环境能量转换装置（图4F)。

图4.通过接触式和非接触式刺激激活力致发光器件，以用于外部力学扰动的可视化

5．力致发光软体机器人用于照亮黑暗环境

在本部分，作者展示了力致发光机器人可在主动驱动或被动扰动下，发出亮光以用于环境照明。作者设计了一个爬行机器人，并将其放置在斜面上（图5A)。在黑暗中，由于甲藻溶液的液压驱动，机器人循环变形从而在斜坡上向前爬行，并发出亮光用于照明（图5B）。然后，作者设计了一个四足类软体机器人（图5C），并将甲藻溶液封装在四条腿中。在黑暗环境中，由于手指的按压，受到扰动的腿发出亮光并照亮周围环境，而其他腿保持相对黑暗（图5D）。

图5.在黑暗环境中，力致发光机器人在主动驱动或被动扰动下的照明功能

6．力致发光软体机器人用于黑暗环境中的信号传递

在本部分，作者展示了通过编程机器人的变形模式，实现不同的发光图案，以用于黑暗中的光学信号传递。作者设计了单向弯曲的软体致动器（图6A），在甲藻溶液的液压驱动下，软体致动器弯曲变形，并显示出字母“C”（图6B）。作者进而串联了两个单向弯曲致动器（图6C），在液压驱动下，两部分向相反方向弯曲，并显示出字母“S”（图6D）。最后，基于图5C中的设计，作者以不同顺序驱动四条腿，实现了不同的发光图案用于信号传递（图6E-H）。

图6.在黑暗环境中，通过驱动力致发光机器人显示不同的图案，以用于信号传递

7．具有封闭系统的磁控力致发光软体机器人

作者设计了一个不受束缚的四足类磁控力致发光机器人，可在磁场驱动下实现远程控制（图7A）。基于图5C，作者在每条腿的末端放置了一个永磁体，并利用透明层封装甲藻溶液。在磁场驱动下，机器人可实现爬行运动，进而产生内部流体扰动激活生物发光（图7B）。当放置在海水中，机器人可维持发光能力至少29天，表明了其在无特殊维护条件下强韧的生存能力（图7C）。

图7.具有封闭系统的不受束缚的磁控力致发光机器人

总而言之，该研究提出了一种简单方法，将发光细胞与弹性体空腔相结合，构建了高度强韧和高能量利用率的柔性生物融合力致发光器件，并展示了其在软体机器人中的潜在应用。此外，该型器件具有高灵敏度（Pa~kPa），快速响应时间（~20ms），无需特殊维护即可维持其发光能力至少4周。

该工作近期发表于Nature Communications。UCSD博士生李成海为第一作者，UCSD蔡盛强教授为通讯作者，生物发光专家Michael I. Latz教授（SIO, UCSD）为该研究了提供了强力支持。

蔡盛强教授团队的研究重点是软材料的力化学行为，如大变形、不稳定性、断裂、疲劳、力化学耦合等。此外，该团队积极探索软材料的新型应用，如人工肌肉、软体机器人、生物医学器件等。

原文链接：

Highly robust and soft biohybrid mechanoluminescence for optical signaling and illumination

Chenghai Li, Qiguang He, Yang Wang, Zhijian Wang, Zijun Wang, Raja Annapooranan, Michael I Latz, Shengqiang Cai

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31705-6

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（责任编辑：xu）

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