Ny metode fundet til at flytte små kunstige svømmere

Princeton-forskere har debuteret en ny måde at generere og potentielt kontrollere bevægelse i små genstande kaldet kunstige svømmere. Disse svømmere har vakt stor interesse for deres potentielle anvendelser inden for medicin, industri og andre sektorer.

Kugleformet i form og med to haler, Princeton-svømmerne - ligesom mange andre kunstige mikrosvømmere - tager et signal fra bakterier, som er afhængige af pisk-lignende vedhæng kaldet flageller og cilia til at drive sig selv gennem væsker. Til dato, videnskabsmænd har prøvet alle mulige drivkræfter til at fremkalde halesvømmerbevægelser, inklusive lyd, lys og magnetiske felter. Princeton svømmerne, imidlertid, innovativt få deres gang fra eksponering for et elektrisk felt, at udnytte et middel til at skabe bevægelse - kendt som Quincke-rotation - aldrig demonstreret før i det kunstige svømmerige.

"Vi fandt noget, der er nyt inden for fysik til bevægelsesgenerering i kunstige svømmesystemer, " sagde Endao Han, en stipendiat i Center for Physics of Biological Function ved Princeton University og hovedforfatter af en undersøgelse, der beskriver resultaterne offentliggjort online i 20. juli-udgaven af Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Hvad Endao og vores kolleger har demonstreret i denne undersøgelse er smuk fysik, der kombinerer indsigt fra en masse forskellige områder, " sagde seniorforfatter Howard Stone, Donald R. Dixon '69 og Elizabeth W. Dixon professor i mekanik og rumfartsteknik ved Princeton University.

Den nye undersøgelse bygger på teoretisk arbejde ledet af medforfatter Lailai Zhu, en tidligere postdoc i Stones laboratorium i Princeton og nu ved National University of Singapore. I undersøgelser offentliggjort i 2019 og 2020, Zhu simulerede i et computerprogram, at sfæriske kunstige svømmere med elastiske haler skulle bevæge sig gennem et medium, drevet af Quincke rotation. Denne rotation kan forekomme, når isoleringsmaterialer nedsænkes i en svagt ledende væske og udsættes for et elektrisk felt. Det elektriske felt, selv om det er stabilt og konstant, skaber ikke desto mindre en ustabilitet, der viser sig som en vridende kraft, hvilket får materialet - normalt formet som en kugle - til at rotere inde i væsken. Når en eller flere haler placeres på den roterende kugle, halerne kan bøje sig til de spiralformede former, som bakterier almindeligvis stoler på for at generere fremstød.

Denne form for bevægelse, kendt som ikke-gensidig bevægelse, er nødvendig for mikroorganismer og andre småting, naturlig eller kunstig, at rejse gennem væsker. På menneskelig skala, grundlæggende gensidig bevægelse, "som bevægelsen frem og tilbage af en bådåre, " sagde Stone, overvinder vands inerti og viskositet. Viskositet er et mål for indre friktion, beslægtet med "tykkelsen" af en væske. Men i små skalaer, viskositet kan forhindre gensidig bevægelse i at omsætte til fremadgående bevægelse. For mikroorganismer og kunstige mikrosvømmere, i stedet skubber en proptrækkerlignende bevægelse af ikke-gensidig bevægelse det flydende medium bagud, og dermed samtidig svømmeren frem.

For den kunstige svømmer i deres studie, Han og kolleger gik med noget relativt stort og dermed let at observere – nemlig, en plastikkugle omkring seks millimeter på tværs. Forskerne limede derefter kirurgiske nylonsuturer på for at tjene som halelignende filamenter. Det flydende medium i eksperimentet viste sig også tilsvarende lavteknologisk. For at se om den teoretiserede Quincke-rotationsmetode ville fungere i det virkelige liv, forskerne skulle identificere en olie med de rigtige elektriske egenskaber og matchende densiteten af ​​svømmeren. Opfyldelse af disse kriterier indebar at gå gennem en periode med trial and error med forskellige butikskøbte madlavningsolier og andre vegetabilske olier brugt i fremstillingen. Ultimativt, forskerne ramte en blanding af halvt olivenolie og halvt ricinusolie.

Inden for dette medie, forsøgene viste, at en svømmer med to haler omsatte rotation til bevægelse bedre end en enkelthalet svømmer. Ved at variere den elektriske feltstyrke og vinklen mellem de to haler, forskerne viste i sidste ende tre forskellige former for bevægelse. To af bevægelserne fungerede på samme måde som tonehøjden og rullen af ​​et fly, der fløj, hvor førstnævnte vises, når halerne stikker ud til hver side af den roterende kugle, og sidstnævnte, da halerne peger bag kuglen, mens den drejer. Den tredje bevægelse var selvsvingende, hvilket betyder, at kuglen drejede én vej, så tilbage den anden vej, og tilbage igen, gentagne gange, selvom strømkilden, det elektriske felt, var konstant og uden svingninger.

Samlet set, de mange slags opnåede bevægelser overraskede forskerne og antydede de niveauer af dynamisk kontrol, der kunne opnås.

"Som vores eksperiment fortsatte, vi fandt endnu rigere fænomener, end vi havde forventet, " sagde Han. "Vi fandt ud af, at dette system måske ikke kun er en ny måde at få tingene til at bevæge sig på, men også at vi måske effektivt kan kontrollere svømmerens bevægelse, hvilket gør det meget mere nyttigt."

Erik Lauga, som ikke var involveret i forskningen, kommenterede de fremskridt, undersøgelsen repræsenterer for området kunstig svømning. "Det er et felt drevet af teori mest, så det er altid et stort spring fremad, når kunstige svømmere bliver realiseret i laboratoriet, sagde Lauga, professor i anvendt matematik ved University of Cambridge. "Der er kun så mange [svømmere], der er blevet fremstillet og kvantificeret på en måde, der er fuldt forstået, så det er altid spændende, når det sker."

Han og Stone tilføjede, at deres kunstige svømmesystems enkelhed betyder, at det let kan skaleres op eller ned. Nedskalering til meget små enheder kan potentielt føre til industriel anvendelse i olieholdige medier og miljøer, for eksempel. Et nærmere perspektiv for forskningen er at bruge systemet til yderligere at udforske et nyt middel til at generere bevægelse. Forskere vil derfor gerne studere individuelle svømmeres fysik yderligere. Opskalering til grupper af svømmere, i mellemtiden, kunne give indsigt i, hvordan grupper af bakterier bevæger sig, samt den sværmende adfærd udvist af bakterier eller større organismer.

"Vi er lige begyndt at se, hvad mulighederne er med denne form for kunstsvømmer, " sagde Han. "Vi ser frem til at få mere indsigt og realisere dens potentielle nytte."

Joshua Shaevitz, en professor i fysik og Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics i Princeton, er også medforfatter til undersøgelsen.