Levende mikroalger driver blød griber med lys og mørke

Levende mikroalger kan få et blødt materiale til at bøje sig, når lyset tændes, og bevæge sig tilbage i mørke. Forskere ved Delft University of Technology har demonstreret princippet i en lille griber, som kunne løfte en kugle på 18,4 milligram og senere slippe den igen.

Studiet blev offentliggjort 22. oktober i Nature Communications. Det kobler algernes stofskifte til en hydrogels formændring og viser en mulig vej til bevægelige materialer uden en elektrisk motor. Bevægelsen er dog langsom: Den første reaktion kommer efter sekunder, mens store formændringer tager timer.

Algerne ændrer kemien omkring materialet

Holdet bruger ferskvandsmikroalgen Chlamydomonas reinhardtii. Cellerne sidder som en biofilm på den ene side af en gel opbygget af to sammenføjede lag. Det ene lag reagerer på pH, mens det andet ikke ændrer størrelse på samme måde.

Under belysning ændrer fotosyntese og kvælstofomsætning de lokale kemiske forhold. Det påvirker ladningen i den pH-følsomme polymer og får laget til at svulme. Fordi de to lag udvider sig forskelligt, bøjer hele strimlen sig.

I mørke bidrager algernes respiration med kuldioxid, så processen går den modsatte vej. Materialet kan derfor vende tilbage uden, at forskerne skal udskifte væsken omkring det for hver bevægelse. Lyset styrer reaktionen gennem levende cellers aktivitet, ikke gennem en indbygget elektrisk motor.

Kontroller peger på levende stofskifte

Forskerne undersøgte, om algerne faktisk var årsagen. En tilsvarende gel uden celler viste ikke samme lysrespons. Når fotosyntesen blev hæmmet kemisk, ophørte den normale lysstyrede bevægelse også. Varmeinaktiverede alger kunne heller ikke drive den på samme måde.

Disse kontrolforsøg er vigtige, fordi lys kan påvirke et materiale på flere måder. Her understøtter resultaterne, at bevægelsen afhænger af levende mikroalgers stofskifte og den lokale påvirkning af gelen. Den skyldes ikke blot, at en grøn belægning er til stede.

Forskerne målte samtidig kun relativt små pH-udsving i den omgivende væske under aktiveringen. De tolker derfor virkningen som overvejende lokal ved polymeren. Det er en relevant forskel fra systemer, hvor hele væskens surhedsgrad skal ændres for at få en gel til at bevæge sig.

En begyndende reaktion er ikke en færdig bevægelse

Studiet rapporterer en indledende respons efter omkring 10–20 sekunder. Det kan lyde hurtigt, men tallet beskriver begyndelsen på bevægelsen. En stor bøjningsbevægelse blev opnået over en samlet cyklus på 18 timer.

I et af forsøgsforløbene brugte holdet tre timers lys efterfulgt af 15 timers mørke. De demonstrerede gentagelig bøjning over ti lys-mørke-cyklusser. Kortere lysperioder gav også bevægelse, men i mindre omfang.

I en kraftmåling nåede gelen omkring 0,8 millinewton efter 15 timers belysning, med en rapporteret variation på 0,2 millinewton. Den målte kraft og hastighed placerer foreløbig systemet blandt meget forsigtige, langsomme mekaniske funktioner frem for hurtige robotbevægelser.

Fire bløde fingre greb en lille kugle

Som demonstration samlede forskerne fire bøjelige elementer til en griber. I lys foldede den sig omkring en lille kugle og løftede den fra underlaget. Da lyset blev slukket, kunne den gradvist slippe igen. Holdet viste også en udtrækkelig krog.

Det er et bevis på en enkel funktion, ikke en færdig robot, der selv kan vælge genstande eller planlægge bevægelser. Griberen har hverken demonstreret almindelig industrihastighed eller en bred palet af opgaver. Den viser, at den biologisk drevne bøjning kan omsættes til mekanisk arbejde.

Lyset er energi, og cellerne skal holdes i live

Systemet kræver fortsat lys, væske og egnede næringsforhold. Forsøgene blev typisk udført ved 20 grader under rødt og blåt lys. At undvære en motor betyder derfor ikke, at materialet fungerer uden energitilførsel eller uden et passende miljø.

Studiet viser heller ikke en samlet livscyklusberegning, som dokumenterer, at en færdig enhed vil have mindre klimaaftryk end en elektrisk løsning. Den mulige fordel ligger i at hente bevægelse direkte fra fotosyntetisk aktivitet og udnytte et blødt, reversibelt materiale.

Næste spørgsmål er, hvor hurtig, robust og praktisk denne kobling kan blive. Resultatet giver et konkret eksempel på levende celler som en del af en bevægelig konstruktion, samtidig med at tidsforbruget og behovet for cellepleje sætter klare rammer for anvendelsen.