Untersuchung der seltsamen Fortbewegung von Mikroschwimmern

Seltsam zu sein kann eine gute Sache sein, besonders wenn Sie ein mikroskopisch kleiner Zellorganismus sind, der versucht, Orte zu erreichen.

Schwimmen könnte die erste Form der Mobilität sein, die auf der Erde entstanden ist. Der Akt des Schwimmens für kleine Tiere ist jedoch nicht unbedingt einfach. Makroschwimmer wie Jakobsmuscheln haben sogar ein nach ihnen benanntes Theorem, das das gegenseitige Schwimmen im Mikromaßstab verbietet.

Mit anderen Worten, die Theorie besagt, dass mikroskopisch kleine Jakobsmuscheln überhaupt nicht schwimmen können sollten. Hier werden Jakobsmuscheln als Analogie verwendet, um ein Objekt mit einem Scharnier zu beschreiben.

KyotoU-Forscher haben jetzt eine neue Formel zum Schwimmen entdeckt, die auf ihrer Studie über die seltsame Elastizität oder das nicht reziproke Verhalten von Mikroschwimmern basiert. Die Wissenschaftler begannen ihre Studie, indem sie Computermodelle von Schwimmern laufen ließen.

„Unser erstes Modell schwamm unerwartet gut und mit schönen selbst generierten Schwimmzügen“, erklärt Autor Clément Moreau.

Mikroroboter machen Schlagzeilen wegen ihres Potenzials, Medikamente sicher zu verabreichen oder berührungslose Operationen durchzuführen. Doch während sich diese nach vorprogrammierten Anweisungen bewegen, sind die Mikroschwimmer von Moreau und seinem Team autonom. Ihre zugrunde liegende Technologie basiert auf ungerader Elastizität, die Eigenschwingungen aktiver Materialien aufweist.

KyotoU-Wissenschaftler mit unterschiedlichem Hintergrund stellten sich gemeinsam ein einfaches Modell selbstfahrender Materialien vor. Unter Verwendung von Computersimulationen, die Fluiddynamik, Mathematik und statistische Physik kombinieren, wurde das Mikroschwimmverhalten beobachtet, um eine autonom gerichtete und deterministische Bewegung durch ein ungeradzahliges elastisches Filament zu demonstrieren.

Das Team verwendete das Schwimmermodell von Purcell, das als Minimalmodell des Mikroschwimmens mit zwei Freiheitsgraden gilt, um Effizienz, Stabilität, Kontrolle und andere Aspekte von biologischen Schwimmern und künstlichen Robotern zu untersuchen. Dieses dreigliedrige Modell besteht aus drei schlanken Stangen bestimmter Länge, die durch zwei Scharniere verbunden sind.

Darüber hinaus fanden die Forscher eine neue mathematische Schwimmformel, die zeigt, dass jedes seltsame elastische Mikromaterial spontan eine Fortbewegung in einer Flüssigkeit erzeugen kann, wodurch eine gerichtete Bewegung aus zufälligen Schwankungen entsteht.

Das nächste Ziel des Teams ist es, den Wert der ungeraden Elastizität tatsächlich aktiver Materialien, einschließlich biologischer Zellen, chemisch aktiver Enzyme und synthetischer Mikroroboter, quantitativ abzuschätzen.

„Wir glauben, dass unsere Forschung zur ungeraden Elastizität dazu beiträgt, klassische Beschreibungen automatisierter Mikroschwimmer mit unserem neuen autonomen Bewegungsmodell zu überbrücken“, schließt Moreau.

Die Studie wurde veröffentlicht in Körperliche Überprüfung E.