Undersøgelse af mikrosvømmeres mærkelige bevægelse

At være mærkelig kan være en god ting, især når du er en mikroskopisk cellulær organisme, der prøver at gå steder.

Svømning kan være den første form for motilitet, der opstod på Jorden. Svømning for små dyr er dog ikke nødvendigvis let. Makrosvømmere såsom kammuslinger har endda en sætning opkaldt efter sig, som forbyder gensidig svømning i mikroskalaen.

Med andre ord siger teorien, at mikroskopiske kammuslinger slet ikke burde kunne svømme. Her bruges kammuslinger som en analogi til at hjælpe med at beskrive et enkelthængslet objekt.

KyotoU-forskere har nu opdaget en ny formel til svømning baseret på deres undersøgelse af mikrosvømmeres ulige elasticitet eller ikke-frem- og tilbagegående adfærd. Forskerne begyndte deres undersøgelse ved at køre computermodeller af svømmere.

"Vores første model svømmede uventet godt og med smukke selvgenererede strøg," forklarer forfatteren Clément Moreau.

Mikrorobotter skaber overskrifter for deres potentiale til sikkert at levere medicin eller udføre ikke-påtrængende kirurgi. Men mens disse bevæger sig i henhold til forudprogrammerede instruktioner, er Moreau og hans holds mikrosvømmere autonome. Deres underliggende teknologi er baseret på ulige elasticitet, som udviser selvsvingninger af aktive materialer.

KyotoU-forskere fra forskellige baggrunde forestillede sig sammen en simpel model af selvkørende materialer. Ved hjælp af computersimuleringer, der kombinerer væskedynamik, matematik og statistisk fysik, blev mikrosvømmeadfærd observeret for at demonstrere autonom retningsbestemt og deterministisk bevægelse af en ulige-elastisk filament.

Holdet brugte Purcells svømmermodel – betragtet som en minimal model for mikrosvømning med to frihedsgrader – til at studere effektivitet, stabilitet, kontrol og andre aspekter af biologiske svømmere og kunstige robotter. Denne model med tre led består af tre slanke stænger af bestemte længder forbundet med to hængsler.

Yderligere fandt forskerne en ny matematisk svømmeformel, der viser, at ethvert mærkeligt elastisk mikromateriale spontant kan generere bevægelse i en væske, hvilket skaber retningsbestemt bevægelse fra tilfældige udsving.

Holdets næste mål er at kvantitativt estimere værdien af ​​ulige elasticitet af faktiske aktive materialer, herunder biologiske celler, kemisk aktive enzymer og syntetiske mikrorobotter.

"Vi mener, at vores forskning i ulige elasticitet er med til at bygge bro mellem klassiske beskrivelser af automatiserede mikrosvømmere med vores nye autonome bevægelsesmodel," konkluderer Moreau.

Forskningen blev offentliggjort i Physical Review E . + Udforsk yderligere

Modellering af mikrosvømmeres adfærd og dynamik