UCSD蔡盛強教授團隊《Nat. Commun.》：適用于光學信號傳遞及照明的柔性生物融合力致發光器件
一、正文：
近年來，生物融合技術（biohybrid/living approach）已經成為一種新興的構建柔性功能器件及軟體機器人的方法。通過結合功能性生物體和人工合成材料，生物融合系統可以再現自然界生物的多種特征，如復雜的功能、自主的控制、高效的能量利用率以及對刺激的高度靈敏性。盡管如此，現有的生物融合系統的功能仍局限于以下三種類型：基于心肌/肌肉細胞的收縮運動構建的驅動器；基于細菌類（如大腸桿菌）感知行為構建的化學傳感器；基于生物體的新陳代謝（如酵母菌的呼吸作用）來調控合成材料的性質。雖然力學刺激是自然界中最基本的信號之一，卻鮮有研究報道具有力學感知特性的生物融合器件。此外，如何用簡易的方法制造生物融合器件、延長其使用壽命、縮短其感知刺激的響應時間、降低其維護成本，仍然是制約其工程應用的關鍵因素。
針對該問題，受海洋發光生物的啟發，加州大學圣地亞哥分校（UCSD）蔡盛強教授團隊，提出了一種簡單方法來構建強韌的生物融合力致發光體系。通過將海洋發光甲藻溶液封裝到彈性體空腔中，研究者實現了高度強韌且無需電子器件的柔性生物融合力致發光器件。如視頻1所示，甲藻細胞具有超高的靈敏度（Pa~kPa），在力學刺激下實現近乎瞬時的響應（~20ms），無需特殊維護即可維持其發光能力至少一個月。該設計可輕易地集成到軟體機器人中，為黑暗中工作的機器人賦予全新功能，如對外界力學刺激的可視化、在驅動變形下實現發光照明、以及可編程的光學圖案用于信號傳遞。
1．生物融合力致發光器件的潛在應用
如圖1所示，作者展望了該力致發光體系在軟體機器人中的潛在應用。在光照階段，封裝在機器人中的甲藻溶液通過光合作用產生氧氣，同時為其生理活動儲存能量。在黑暗階段，力學刺激驅動機器人變形，引起內部液體流動，進而產生剪切力激活生物發光。首先，在黑暗環境中，力致發光機器人皮膚適用于可視化外部力學擾動，包括接觸式和非接觸式刺激；其次，在主動驅動或被動干擾下，機器人產生變形，激活力致發光用于照亮黑暗環境；最后，通過編程其變形模式，機器人可顯示不同發光圖案，用于黑暗中的光學信號傳遞。
圖1.生物融合力致發光軟體機器人的工作原理及其在黑暗環境中的潛在應用
2．柔性生物融合力致發光器件的設計
如圖2A所示，作者使用透明的彈性體空腔封裝甲藻細胞（P.lunula）溶液來制造生物融合器件。該甲藻對環境條件具有較高的耐受性，在全球海洋中廣泛分布。P.lunula在光照下進行光合作用，產生氧氣并儲存能量。在黑暗環境中，當該器件受到力學刺激時，封裝在內部的溶液發生擾動，從而產生剪切力激活甲藻固有的生物發光。該器件高度透明(圖2B)，允許太陽光和生物光的自由穿透。同時，該器件柔軟可變形，在外界載荷作用下可保持結構穩定(圖2B)。作者還展示了該器件在拉伸、壓縮和自由振動下的發光行為(圖2C-D)。作者進而將彩色染料與彈性體溶液混合制作空腔，實現了對發光光譜的調節，拓展了顏色范圍(圖2E)。
圖2.生物融合力致發光器件的設計、工作原理和簡單展示
3．柔性生物融合力致發光器件的表征
首先，作者探究了彈性體空腔的內部結構設計對發光強度的影響。如圖3A所示，第一種設計具有平坦的內表面，而第二種設計在空腔內部引入了微柱。在相同的力學測試下，光強隨著微柱高度h的增加而增加，歸因于較高的微柱增強了內部流體的擾動，從而增大了剪切力（圖3B)。此外，光強分別隨著應變率或應變的增加而增加，可歸因于流場中存在更顯著的剪切力（圖3C-D)。
圖3.力致發光器件在不同力學加載條件下的發光強度
4．力致發光器件用于實現外部力學擾動的可視化
在本部分，作者展示了力致發光器件可在接觸式和非接觸式刺激下發光，以用于可視化外部力學擾動。如視頻2所示，作者使用不同形狀的壓頭逐漸壓縮該器件然后緩慢釋放，發光圖案與物體的幾何形狀完美吻合（圖4A-D)。光強在壓縮階段逐漸增大，在釋放階段逐漸減少，進而定性地反映壓縮過程。單個細胞即為單個傳感單元，提供了超高的空間分辨率。在面板上書寫時，筆尖壓縮下方的甲藻細胞并激活生物發光，顯示出書寫軌跡（圖4E)。在氣流擾動下，多彩的器件被激活發光，可作為潛在的環境能量轉換裝置（圖4F)。
圖4.通過接觸式和非接觸式刺激激活力致發光器件，以用于外部力學擾動的可視化
5．力致發光軟體機器人用于照亮黑暗環境
在本部分，作者展示了力致發光機器人可在主動驅動或被動擾動下，發出亮光以用于環境照明。如視頻3所示，作者設計了一個爬行機器人，并將其放置在斜面上（圖5A)。在黑暗中，由于甲藻溶液的液壓驅動，機器人循環變形從而在斜坡上向前爬行，并發出亮光用于照明（圖5B）。然后，作者設計了一個四足類軟體機器人（圖5C），并將甲藻溶液封裝在四條腿中。在黑暗環境中，由于手指的按壓，受到擾動的腿發出亮光并照亮周圍環境，而其他腿保持相對黑暗（圖5D）。
圖5.在黑暗環境中，力致發光機器人在主動驅動或被動擾動下的照明功能
6．力致發光軟體機器人用于黑暗環境中的信號傳遞
在本部分，作者展示了通過編程機器人的變形模式，實現不同的發光圖案，以用于黑暗中的光學信號傳遞。如視頻4所示，作者設計了單向彎曲的軟體致動器（圖6A），在甲藻溶液的液壓驅動下，軟體致動器彎曲變形，并顯示出字母“C”（圖6B）。作者進而串聯了兩個單向彎曲致動器（圖6C），在液壓驅動下，兩部分向相反方向彎曲，并顯示出字母“S”（圖6D）。最后，基于圖5C中的設計，作者以不同順序驅動四條腿，實現了不同的發光圖案用于信號傳遞（圖6E-H）。
圖6.在黑暗環境中，通過驅動力致發光機器人顯示不同的圖案，以用于信號傳遞
7．具有封閉系統的磁控力致發光軟體機器人
如視頻5所示，作者設計了一個不受束縛的四足類磁控力致發光機器人，可在磁場驅動下實現遠程控制（圖7A）。基于圖5C，作者在每條腿的末端放置了一個永磁體，并利用透明層封裝甲藻溶液。在磁場驅動下，機器人可實現爬行運動，進而產生內部流體擾動激活生物發光（圖7B）。當放置在海水中，機器人可維持發光能力至少29天，表明了其在無特殊維護條件下強韌的生存能力（圖7C）。
圖7.具有封閉系統的不受束縛的磁控力致發光機器人
二、結論
總而言之，該研究提出了一種簡單方法，將發光細胞與彈性體空腔相結合，構建了高度強韌和高能量利用率的柔性生物融合力致發光器件，并展示了其在軟體機器人中的潛在應用。此外，該型器件具有高靈敏度（Pa~kPa），快速響應時間（~20ms），無需特殊維護即可維持其發光能力至少4周。
三、作者簡介
該工作近期發表于Nature Communications。UCSD博士生李成海為第一作者，UCSD蔡盛強教授為通訊作者，生物發光專家Michael I. Latz教授（SIO, UCSD）為該研究了提供了強力支持。
蔡盛強教授團隊的研究重點是軟材料的力化學行為，如大變形、不穩定性、斷裂、疲勞、力化學耦合等。此外，該團隊積極探索軟材料的新型應用，如人工肌肉、軟體機器人、生物醫學器件等。
四、原文鏈接：
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
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