Når en omvej er hurtigere:Optimering af navigation for mikrosvømmere

Mens den korteste vej mellem to punkter er en lige forbindelse, er det måske ikke den mest effektive vej at følge. Komplekse strømme påvirker ofte mikrosvømmernes bevægelser og gør det svært for dem at nå deres destination. Samtidig er det en vis evolutionær fordel at bruge disse strømme til at navigere så hurtigt som muligt.

Mens sådanne strategier tillader biologiske mikrosvømmere bedre at få adgang til mad eller undslippe et rovdyr, kan mikrorobotter på denne måde ledes til at udføre specifikke opgaver.

Den optimale vej i en given strøm kan let bestemmes matematisk, men udsving forstyrrer mikrosvømmernes bevægelse og afviger dem fra den optimale rute. Derfor er de nødt til at justere deres bevægelse for at tage højde for miljøændringer. Dette kræver typisk hjælp fra en ekstern tolk og fjerner deres autonomi.

"Takket være evolutionen har nogle mikroorganismer udviklet autonome strategier, der muliggør rettet bevægelse mod større koncentration af næringsstoffer eller lys," forklarer førsteforfatter til undersøgelsen Lorenzo Piro. Inspireret af denne idé har forskerne fra Institut for Livsstoffysik ved MPI-DS designet strategier, der gør det muligt for mikrosvømmere at navigere optimalt på en næsten autonom måde.

Lys som en guide til autonom navigation

Når en ekstern tolk definerer navigationsmønsteret, følger mikrosvømmere i gennemsnit en veldefineret vej. Det er således en god tilgang at guide mikrosvømmeren ad den vej inden for strømmen. Dette kan opnås autonomt via eksterne stimuli, på trods af tilstedeværelsen af ​​fluktuationer.

Dette princip kan anvendes på svømmere, der reagerer på variation af lys, såsom visse alger, i hvilket tilfælde den optimale vej simpelthen kan belyses. Bemærkelsesværdigt er de resulterende præstationer sammenlignelige med eksternt overvåget navigation. "Disse nye strategier kan desuden bekvemt anvendes til mere komplekse scenarier såsom navigation på buede overflader eller ved tilstedeværelse af tilfældige strømme," konkluderer Ramin Golestanian, direktør hos MPI-DS.

Mulige anvendelser af undersøgelsen spænder således fra målrettet lægemiddellevering på mikroskala til det optimale design af autonome mikromaskiner.

Forskningen er offentliggjort i New Journal of Physics .