Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Diffunderende bølgeparadoks kan bruges til at designe mikrorobotik

Illustration af det diffunderende bølgeparadoks, som udstillet af aktive partikler, der er halvcoatet med en carbonhætte. Kredit:Celia Lozano, Universitetet i Konstanz

Amoeba er usædvanlige væsner, der dannes, når en spredt population af celler spontant kommer sammen og reorganiserer sig til en flercellet makroskopisk organisme. At gøre dette, et par lederceller udsender kemiske pulser, der får de andre individuelle celler til at bevæge sig i den modsatte retning af de bevægende impulser, fører til dannelsen af ​​tætte klynger.

Observationen af, at amoebacellerne bevæger sig i modstrid med den rejsebølge, som kaldes det "diffunderende bølgeparadoks, "har undret forskere i lang tid. Dette skyldes, at denne bevægelse adskiller sig fra amøben sædvanlige adfærd, når man leder efter mad i et labyrintlignende miljø. I disse scenarier, de kemiske signaler er statiske i stedet for pulserede, og amøbe -cellerne bevæger sig mod de højere kemiske koncentrationer.

Amoebecellernes evne til undertiden at bevæge sig i modstrid med en kemisk bølge, der bevæger sig, tyder på, at cellerne besidder en slags hukommelse. Imidlertid, i en ny undersøgelse, Celia Lozano og Clemens Bechinger ved universitetet i Konstanz, Tyskland, har vist den samme adfærd i mikropartikler, når de belyses af lyspulser med varierende hastigheder. Da mikropartikler er hukommelsesfrie, adfærden i dette tilfælde skal forklares ved en mekanisme, der ikke afhænger af hukommelse.

"Selvom jeg ikke har nogen hjerne, syntetiske mikrosvømmere er i stand til at efterligne nogle sofistikerede adfærd hos levende organismer - især, deres reaktion på løbende impulser er ens (selvom den er af meget forskellig oprindelse), "Fortalte Bechinger Phys.org . "I betragtning af fremtidige anvendelser af mikrosvømmere som autonome mikrorobotter, det vil være vigtigt at koordinere og synkronisere deres adfærd. Det diffunderende bølgeparadoks kan spille en vigtig rolle i denne sammenhæng. "

Selvom numeriske simuleringer har forudsagt, at selvkørende mikropartikler kaldet aktive partikler er i stand til at bevæge sig både langs og mod en bevægende puls, det nye studie markerer første gang, at denne adfærd er blevet demonstreret eksperimentelt.

I forsøg, forskerne brugte sfæriske partikler, der er halvcoatet med en carbonhætte og anbragt i en tyktflydende væske. Når det belyses af lys, partiklerne driver sig fremad med hætten foran. Forskerne demonstrerede, at de aktive partiklers bevægelse i forhold til en puls afhænger af pulsens hastighed. Ved lave pulshastigheder, partiklerne har tid nok til at omorientere sig selv, hvis det er nødvendigt, så deres hætter vender i samme retning som kørselspulsernes. Denne orientering sikrer, at partiklerne bevæger sig i samme retning som pulserne.

Ved høje pulshastigheder, på den anden side, pulserne kommer for hurtigt til, at partiklerne kan orientere sig, før den næste kommer. Dette skyldes, at partiklernes rotation er begrænset af friktionen af ​​den viskøse væske. Så hvis partiklernes hætter i første omgang vender mod de kommende pulser, partiklerne vil bevæge sig mod retning af de bevægende impulser, ligner amøbers adfærd i det diffunderende bølgeparadoks.

Denne metode åbner dørene til en ny form for styringsstrategi til at lede aktive partikler i to mulige retninger. I øjeblikket, de fleste styrestrategier afhænger af topografiske eller statiske optiske strukturer, som kun tillader styring af partikelbevægelser i en enkelt retning.

Ud over at styre, forskerne demonstrerede også, at den nye tilgang kunne bruges til sortering af aktive partikler. Som et eksempel, de demonstrerede, at da store partikler kan orientere sig hurtigere end mindre, ved hjælp af mellempulshastigheder gør det muligt at styre store partikler i bølgeretningen og mindre partikler i den modsatte retning, gennemsnitlig.

Selvom mekanismerne er forskellige for aktive partikler og amøber, begge systemer udviser den diffunderende bølge -paradoksadfærd. For de syntetiske partikler, adfærden kan en dag føre til design af mikro-robotiske systemer, der kan opnå komplekse kontrollerede bevægelser, på trods af begrænsede signalbehandlingsevner.

"Mulige anvendelser af mikrosvømmere er at indlæse dem med medicin, som derefter leveres til bestemte steder, "Sagde Bechinger." På grund af deres rettet aktive bevægelse, sådan målrettet lægemiddeltilførsel kan opnås meget mere effektivt sammenlignet med rent diffusiv bevægelse. På lignende måde, syntetiske svømmere kan også være udstyret med sansemekanismer, at udforske flydende miljøer. Endelig, der arbejdes løbende med at samle mikrosvømmere, såsom gear eller små motorer, som kan udføre mekanisk arbejde i små længder. "

© 2019 Science X Network

Varme artikler