Zachte robotarm aangedreven door algen

Een zachte robotarm met algen bedekt die in een speciaal vervaardigd aquarium zit. Credits: Studio Oostrum

Deze spannende stap in biotechnologie is nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

De kleine robotarm kan grote, omkeerbare buigbewegingen maken die met licht worden aangestuurd. “Onze proof-of-concept bestaat uit een zachte, groene strip van ongeveer twee centimeter lang en één millimeter dik”, vertelt hoofdonderzoeker Marie-Eve Aubin-Tam. “De strip bestaat uit twee lagen van verschillende hydrogels, waarop microalgen groeien. Door veranderingen in de belichting kan de strip heen en weer buigen. Bovendien is de vorm eenvoudig aan te passen, zodat ook andere bewegingen en functies mogelijk worden.”

Vastpakken en optillen
De bewegingen van de robot kunnen worden ingezet voor eenvoudige taken, zoals het oppakken en verplaatsen van kleine objecten. Vooral in onderwateromgevingen, waar een zachte en voorzichtige behandeling nuttig is, biedt dat mogelijkheden. Als demonstratie gebruikten eerste auteur Fan Jiang en collega’s de robotarm, ofwel actuator, om een rubberen ring op te tillen en een kleine metalen bal vast te grijpen.

De robot kan meer dan alleen objecten oppakken. De met licht aangestuurde buigbewegingen bootsen ook mechanismen uit de natuur na. Volgens de onderzoekers zou het systeem bijvoorbeeld kunnen worden toegepast in zonwering of landbouwtechnologie die automatisch van vorm of richting verandert onder invloed van licht. Toch stond een concrete toepassing niet centraal bij de start van het onderzoek, benadrukt Aubin-Tam. “Ons doel was om onderzoek naar levende materialen naar een nieuw niveau te tillen. We wilden ontdekken welke mogelijkheden ontstaan wanneer levende cellen worden geïntegreerd in functionele materialen.”

Hoe werkt het?
De microalgen zorgen voor de aandrijving van de actuator via hun stofwisseling, die afhankelijk is van licht. Wanneer er licht op de algen valt, gebruiken zij energie uit licht en CO₂ om via fotosynthese suikers te produceren, die dienen als brandstof voor de cel. Tegelijkertijd nemen zij stikstof op om nieuwe celonderdelen op te bouwen. Samen zorgen deze processen ervoor dat de zuurgraad van de hydrogel verandert.

“De twee hydrogellagen reageren verschillend op die pH-veranderingen”, legt Jiang uit. “Ze zwellen namelijk in verschillende mate op waardoor de strip gaat buigen. Wordt het licht uitgeschakeld, dan verbruiken de algen de eerder gevormde suikers. Daarbij komt opnieuw CO₂ vrij, waardoor de pH daalt. Binnen tien seconden begint de actuator alweer in de tegenovergestelde richting te buigen.”

Zelfstandig en gevoelig voor de omgeving
Volgens Aubin-Tam kan de technologie op termijn bijdragen aan zachte robots die zelfstandiger functioneren en beter reageren op hun omgeving. “Microalgen zijn plantachtige organismen die grotendeels zelfvoorzienend zijn. Via fotosynthese gebruiken ze licht als energiebron. Daardoor kan een actuator op basis van deze technologie langdurig functioneren met slechts minimale externe input. In theorie is er maar weinig energie nodig om een dergelijk systeem te laten werken.”