Levende alger gjør lys til bevegelse i en myk robotarm

En motor som lever

Myke roboter kan gripe skjøre objekter og tilpasse seg omgivelsene på måter som er vanskelige for stive maskiner. Men selve bevegelsen krever fortsatt energi og et system som omsetter energien til mekanisk kraft. Nå har forskere ved Delft University of Technology demonstrert en annen løsning: å la levende mikroalger gjøre en del av jobben.

I en studie publisert i Nature Communications kombinerer forskerne mikroalgen *Chlamydomonas reinhardtii* med en hydrogel som endrer form når surhetsgraden rundt den forandres. Resultatet er en myk, grønn stripe som kan bøye seg fram og tilbake når lyset slås av og på.

Den demonstrerte aktuatoren er omtrent to centimeter lang og én millimeter tykk. Den har ingen vanlig elektrisk motor som driver bevegelsen. I stedet er det metabolismen til algene som skaper den kjemiske endringen hydrogelen reagerer på.

Lys endrer kjemien rundt algene

Når algene belyses, bruker de lys og karbondioksid i fotosyntesen. Sammen med nitrogenassimilering fører prosessene til at pH-verdien i materialet øker. Det påvirker den pH-følsomme polymeren i hydrogelen, slik at de to lagene sveller forskjellig og stripen bøyer seg.

Når lyset slås av, fortsetter cellene å respirere og frigjør karbondioksid. Da synker pH igjen, og bevegelsen går motsatt vei.

På den måten fungerer lyset som et kontrollsignal, mens de levende cellene omsetter energien og miljøets kjemi til den lokale pH-endringen som driver aktuatoren.

Forskerne rapporterer at bevegelsen begynner å endre retning i løpet av omtrent 10–20 sekunder etter et skifte i lysforholdene. Stor bøyning utvikler seg over lengre tid. Systemet beholdt den reversible responsen gjennom ti kontinuerlige lys- og mørkesykluser i forsøkene.

Kunne gripe og løfte små objekter

Forskerne formet også aktuatoren slik at den kunne utføre enkle gripeoppgaver. I demonstrasjonene hektet og løftet den en liten gummiring, og en annen utforming kunne gripe og slippe en liten metallkule ved hjelp av lysstyrt bøyning.

Det gjør ikke systemet til en ferdig autonom robot. Demonstrasjonene viser først og fremst at den biologisk drevne deformasjonen kan omsettes til en nyttig mekanisk handling, i stedet for bare å være en målbar materialendring i laboratoriet.

Prinsippet er særlig interessant for myke systemer fordi slike roboter ofte trenger pumper, trykkluft, elektriske ledninger eller andre eksterne komponenter for å bevege seg. Her leverer de fotosyntetiske cellene en del av energikonverteringen inne i selve materialet.

Biologi som en del av maskinen

Biohybride materialer kombinerer levende celler med konstruerte materialer. Fordelen er at cellene allerede har avanserte mekanismer for å registrere og reagere på miljøet, hente energi og utføre kjemiske prosesser som ville vært kompliserte å bygge fra bunnen av.

Mikroalgene er spesielt interessante fordi de bruker lys som energikilde. Forskerne peker derfor på muligheten for framtidige myke enheter som kan fungere med lite ekstern energitilførsel og reagere direkte på omgivelsene.

Det kan på sikt være relevant for blant annet myke gripere, adaptive materialer eller systemer som endrer form etter lysforhold. Studien viser imidlertid ikke at slike produkter er klare til bruk.

Fortsatt et proof of concept

Levende komponenter gir også nye begrensninger. Cellene må holdes i et miljø der de kan overleve og fortsette å fungere. Hastigheten på responsen, levetiden, robustheten, kontrollen av større strukturer og hvordan systemet oppfører seg utenfor laboratorieforhold må undersøkes videre.

Det er derfor ikke den lille griperens praktiske kapasitet som er hovedpoenget. Det nye er koblingen mellom fotosyntetisk metabolisme og programmerbar mekanisk bevegelse i ett materiale.

I stedet for at biologien bare inspirerer roboten, blir biologien en aktiv del av maskineriet. Lyset gir signalet, algene endrer kjemien, og materialet gjør endringen om til bevegelse.

Kilder

• Nature Communications – fagfellevurdert studie
• Delft University of Technology – forskningsomtale