Крошечные подводные водоросли тихо покачиваются в течении. Внезапно на них падает свет, и они образуют подобие роботизированных рук, которые начинают подбирать небольшие камешки и класть их в плавающие корзины. Звучит как научная фантастика, но исследователи из Делфтского технологического университета (Нидерланды) создали небольшую мягкую роботизированную руку, покрытую микроскопическими водорослями, которая умеет захватывать и поднимать предметы. И работает она на свету. Этот новый шаг в развитии биотехнологий описан в журнале Nature Communications.
Крошечная роботизированная рука способна выполнять значительные обратимые изгибающие движения, управляемые светом. «Наш экспериментальный привод, подтверждающий концепцию, — это зелёная мягкая полоска из двух разных гидрогелевых слоёв, на поверхности которой растут микроводоросли», — объясняет руководитель исследования Мари-Ев Обен-Там.
«Она имеет в длину около 2 см и в толщину 1 мм. При изменении освещения полоска может изгибаться вперёд и назад. Форму привода можно легко менять, чтобы получать разные движения и функции».
Захват и подъём
Движение робота можно использовать для простых задач, таких как захват и перемещение небольших предметов, особенно под водой, где может пригодиться мягкое и бережное обращение. В качестве демонстрации первый автор работы Фань Цзян и его коллеги с помощью привода зацепили и подняли резиновое кольцо, а также схватили небольшой металлический шарик.
Помимо захвата, робот может воспроизводить и движения, встречающиеся в природе. Его изгиб под действием света можно, например, встроить в жалюзи или сельскохозяйственные устройства, которые меняют форму или ориентацию в ответ на свет. Эти демонстрации показывают, как базовое изгибающее движение можно развить в функции как мягкой робототехники, так и биомиметики.
Но учёными нередко движет врождённое любопытство, признаёт Обен-Там: «Мы не начинали с какого-то конкретного применения. Наша цель всегда состояла в том, чтобы вывести исследования живых материалов на новый уровень. Мы хотели изучить, что становится возможным, когда живые клетки встраиваются в функциональные материалы».
Как это работает?
Микроводоросли приводят привод в движение за счёт своего обмена веществ, который зависит от света. При освещении водоросли с помощью фотосинтеза используют энергию света и CO₂, чтобы создавать клеточное «топливо» в виде сахаров, а азот они применяют для построения клеточных компонентов. Вместе эти процессы повышают pH в гидрогеле.
Цзян говорит: «Поскольку два гидрогелевых слоя по-разному реагируют на изменения pH, они набухают в разной степени, из-за чего полоска изгибается. Когда свет выключается, клеточное топливо „сгорает“, выделяя CO₂, и pH снова снижается. Уже через 10 секунд привод начинает изгибаться в противоположную сторону».
Ph.D. candidate Fan Jiang holding up a soft robot arm inside a small square aquarium. Credit: Delft University of Technology / Studio Oostrum
Автономность и реакция на окружающую среду
По словам Обен-Там, в более отдалённой перспективе новая технология может способствовать созданию систем мягкой робототехники, более автономных и чувствительных к окружающей среде. «Микроводоросли — это растениеподобные организмы, которые в значительной степени самодостаточны. Они используют свет как источник энергии благодаря фотосинтезу, что даёт приводу потенциал для долгой работы при минимальном внешнем воздействии. Теоретически для работы системы на основе этой технологии не потребовалось бы много энергии».
Professor Marie-Eve Aubin-Tam at Delft University of Technology (The Netherlands) holding up a soft robot arm inside a small square aquarium. Credit: Delft University of Technology / Studio Oostrum
«Честно говоря, ещё и просто волнительно напрямую видеть метаболическую активность микроорганизмов. Видеть, как синтетические материалы на самом деле преобразуют биологические реакции водорослей в механическое движение».