无论是机器、建筑还是飞机，了解部件是否承受机械应力总是很有帮助的。一种新型材料利用集成的发光藻类，可以快速、方便地让检查人员了解情况。

加利福尼亚大学圣迭戈分校领导的研究团队已经创建了一种软而坚固的材料，这些材料在受到机械应力作用时会发光。这些材料的发光来自一种名为甲藻的单细胞藻类，使它们能够在没有电源的情况下发出光。

这些材料不需要电子设备，也不需要外部电源，研究人员展示了如何利用自然的力量将机械刺激直接转化为光发射。

技术亮点

生物发光的水生生物。

甲藻是一种多样化的微生物，主要生活在水中，属于原生生物界。它们以其独特的外观和生物发光特性而闻名，这意味着它们在受到干扰时可以发出光。这种自然现象经常在夜间的海洋中看到，常常被视为在海洋中闪烁或发光，它们的发光有各种生态目的，包括避免捕食和进行沟通。

该生物发光材料的主要成分是甲藻和一种称为藻酸盐的海藻聚合物。这些元素混合形成解决方案，然后使用3D打印机对其进行处理，以创建各种形状，例如网格、螺旋、蜘蛛网、球、块和金字塔状结构。最后一步是对3D打印结构进行固化。

制备生物发光材料。

研究人员在甲藻中添加了一种来自海藻的聚合物——海藻酸盐，作为生物发光材料的主要成分。这些物质被组合以生成一个溶液，然后通过3D打印机进行处理，以制造各种形状的材料。

在测试过程中，当材料受到压缩、拉伸或扭曲时，其中的甲藻会发出光来做出反应。这种反应模仿了海洋中发生的情况——甲藻产生闪光作为捕食者防御策略的一部分。在测试中，当研究人员按压这些材料并在其表面描绘图案时，这些材料就会发光，甚至也足够敏感，滚动的泡沫球那么轻的重量，即可触发发光。研究人员能够创建一个数学模型，基于机械应力的强度来预测光的强度。

由于施加的应力越大，发光越亮。研究人员量化这种行为并开发了一种数学模型，根据所施加机械应力的大小来预测发光强度。他们还在材料上涂上特殊保护层，使材料可在海水中储存长达5个月，而不会失去其形状或生物发光特性。

新研究展示了一种简单的方法，将生物体与非生物成分结合起来，制造出能自我维持并对自然界中发现的基本机械刺激敏感的新型材料。

重要的是，这种材料制成的机械应力传感器不需要任何电源或电子设备。尽管如此，甲藻确实需要有规律的光照和黑暗循环才能进行光合作用--从光中获得的能量用于在黑暗中产生生物发光。到目前为止，3D打印结构在"苛刻的条件"下几乎不需要维护，就能工作五个月左右。

一旦进一步开发，可以想象这种材料还可以应用于软体机器人或医疗植入物等领域，后者利用光信号释放药物载荷或进行治疗。

低维护成本。

这些材料的维护成本也很低。材料中的甲藻需要定期的光照和黑暗周期，以保持正常功能。当在黑暗阶段施加机械张力时，它们利用在光照阶段产生的食物和能量来发光。

研究人员进一步改进了这些材料，使它们在各种条件下更加耐用。通过将第二种聚合物——聚乙二醇二丙烯酸酯（poly(ethylene glycol) diacrylate）混合到初始混合物中，研究人员进一步增强了这些材料，使它们能够承受更大的机械负荷。此外，通过用弹性橡胶状聚合物Ecoflex对材料进行包覆，使材料免受酸性和碱性溶液的侵害。研究人员继续改进和优化这些材料，以满足应用于从医学到机器人等各种行业的要求。

结语

研究人员设想这一材料可用作机械传感器来测量压力、应变或应力，其潜在的应用还包括使用光信号进行治疗或控制药物释放的柔性机器人等生物医学设备。

这项研究展示了如何将生物生物与非生命成分简单地结合起来，以制造自持续且对自然界中的基本机械应力敏感的新型材料。这些创新的材料有望在未来应用于各种行业，从医学到机器人，从而为技术领域带来新的应用和改进。

"目前的这项工作展示了一种简单的方法，将生物体与非生物组件结合起来，制造出新型材料，这种材料能够自我维持，并对自然界中的基本机械刺激敏感，"该研究的资深作者蔡胜强教授实验室的博士生李成海说。

有关这项研究的论文最近发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。在下面的视频中，我们可以看到用这种材料制成的结构在发光。

文章来源： cnBeta，硬科技前沿Tech，科技日报