Eine neue Roboterplattform zur Reproduktion und Untersuchung komplexen Zilienverhaltens

Zilien sind sensorische Strukturen, die sich von der Oberfläche einiger Zellen ausdehnen. Diese haarähnlichen Strukturen tragen bekanntermaßen zu den sensorischen und motorischen Fähigkeiten verschiedener Lebewesen bei, darunter auch des Menschen.

Um ihre physiologischen Funktionen zu erfüllen, müssen die Zilien synchron schlagen. Obwohl sich viele Studien mit der Synchronisierung der Zilien beschäftigt haben, sind ihre biologischen und mechanischen Grundlagen noch nicht vollständig verstanden. Dies liegt zum Teil daran, dass die Untersuchung von Zilien an lebenden Proben und unter kontrollierten Versuchsbedingungen schwierig ist.

Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben kürzlich eine neue Plattform vorgestellt, mit der die Mechanik von Zilien nachgebildet und ihr Verhalten in einer kontrollierten Umgebung untersucht werden kann. Ihr vorgeschlagenes System zur Modellierung von Zilien, das in einem Artikel vorgestellt wurde veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfungbesteht aus Ketten selbstantreibender Roboter, die HEXBUGs genannt werden.

„Dieses Projekt entstand, nachdem Yiming Xia und Zixian Hu zum Spaß eine Kette von HEXBUG-Robotern konstruiert hatten, die ursprünglich zum Studium der kollektiven Bewegung selbstantreibender Objekte verwendet wurden“, sagte Mingcheng Yang, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org.

„Überraschenderweise stellten sie fest, dass zwei an einer gemeinsamen Basis verankerte HEXBUG-Ketten synchron schlagen können. Uns wurde sofort klar, dass sich die verankerten HEXBUG-Ketten ähnlich wie biologische Zilien verhalten und zur Untersuchung der Synchronisation zwischen Zilien verwendet werden könnten, die ausschließlich durch mechanische Kopplung (also ohne hydrodynamische Effekte) induziert wird.“

Dr. Da Wei, Co-Autor des Artikels, ist Experte für biologische Zilien und untersucht seit einiger Zeit die Synchronisierung von Zilien im biologischen Modellorganismus C. reinhardtii. Im Rahmen dieser aktuellen Arbeit bewertete er das Potenzial des Robotersystems zur experimentellen Reproduktion des Zilienverhaltens.

„Um die mechanische Grundlage der interessanten Dynamik der verankerten HEXBUG-Ketten zu verstehen, haben wir ein reduziertes theoretisches Modell konstruiert, das auf der Verbindung selbstangetriebener Partikel basiert“, sagte Yang. „Anschließend führte Yiming Xia Brownsche Dynamiksimulationen in einem breiten Bereich der Systemparameter durch und reproduzierte erfolgreich die experimentellen Beobachtungen.“

Die von Xia durchgeführten Simulationen wurden verwendet, um den Wettbewerb und den Übergang zwischen verschiedenen Gangarten in ihrem System zu modellieren und gleichzeitig die Thermodynamik genau vorherzusagen. Dies wiederum könnte verwendet werden, um die energetische Regel zu erforschen, die die Evolution des Zilienverhaltens bestimmen könnte, insbesondere wie verschiedene synchrone Gangarten energetisch miteinander konkurrieren und entstehen.

„Nach einigen Versuchen stellten wir fest, dass sich das vorliegende einfache System in Richtung eines stationären Zustands mit maximaler Energiedissipation (also maximaler Entropieproduktionsrate) entwickelte“, sagte Yang.

Das von diesem Forscherteam erstellte Modellsystem besteht aus einer Reihe von Mikrorobotern, den sogenannten HEXBUG-Robotern, die zu Ketten miteinander verbunden sind. Um die Roboter zu verbinden, verwendeten die Forscher einige Kappen, die sie im 3D-Druckverfahren hergestellt hatten. Die Gelenke an diesen Kappen definieren den maximalen Winkel, in dem sich benachbarte HEXABUG-Roboter beugen können. Dieser Winkel steuert letztlich die Wellenform der vom System erzeugten Zilienschlagbewegung.

Nachdem Yang und seine Kollegen die beiden Ketten auf derselben Basis (die dem Zellkörper der Alge ähnelt) verankert und diese mit unterschiedlichen Gewichten belastet hatten, stellten sie fest, dass eine stärkere Reibung (ein größeres Gewicht) die Fähigkeit der Ketten zur Synchronisierung behindert. Darüber hinaus wechselten sie die Quelle, die ihr künstliches zilienähnliches System mit Strom versorgte, zu einer externen Gleichstromversorgung. Dadurch konnten sie die effektive Antriebskraft des Systems steuern, die mit der angelegten Spannung zusammenhängt.

„Diese experimentellen Systeme werden in den Simulationen gut modelliert“, sagte Yang. „HEXBUGS werden als selbstantreibende Stäbe abstrahiert, ihre mechanischen Interaktionen werden durch die Verbindungsfedern erfasst und die Reibung der Basis und die aktive Antriebskraft dienen als zwei wichtige Kontrollparameter. Nachdem wir das Simulationssystem systematisch charakterisiert und mit experimentellen Ergebnissen verglichen hatten, waren wir sicher, dass die Simulationen das Wesentliche des realen Aufbaus erfasst haben.“

Im Rahmen ihrer Studie setzte das Team sein System daher sowohl in Simulationen als auch in experimentellen Umgebungen ein. Das simulierte System bot ihnen umfangreiche Möglichkeiten, den Parameterraum ihres Systems zu erkunden, was zu detaillierten Vorhersagen über Gangübergänge und grundlegende physikalische Phänomene führte.

„Die Simulationen ermöglichten die Berechnung der Energetik, die durch Experimente nicht genau berechnet werden könnte“, erklärte Yang.

Yang und seine Kollegen haben erfolgreich eine kontrollierte Plattform entwickelt, mit der die mechanisch vermittelten Synchronisationsverhalten von Zilien untersucht werden können. In Zukunft könnte ihr vorgeschlagenes System von anderen Forschern weltweit verwendet werden, um das Verständnis von Zilien und ihrer zugrunde liegenden Physik, die normalerweise experimentell schwer zu untersuchen ist, weiter zu vertiefen.

„Mit dieser Plattform kann komplexes Zilienverhalten kontrolliert realisiert und untersucht werden“, sagte Yang. „Sie könnte für Biophysiker, die an der Ziliensynchronisation arbeiten, hilfreich sein, um ihre Arbeitshypothese zu testen.“

Für dieses spezielle System stellten die Forscher fest, dass es unter zwei möglichen Zuständen typischerweise den dissipativeren bevorzugt. Dies deutet darauf hin, dass zumindest die Entwicklung einiger Nichtgleichgewichtssysteme auf die maximale Energiedissipation ausgerichtet sein könnte.

„Wir glauben, dass dies für Forscher interessant wäre, die nach dem allgemeinen Prinzip suchen, das Nichtgleichgewichtssysteme beherrscht“, fügte Yang hinzu.

„Wir arbeiten derzeit an einem analytischen Modell, um das mechanisch verbundene Schlagverhalten der Zilien besser zu erklären. Dabei untersuchen wir auch komplexere Szenarien wie die Synchronisierung mehrerer Zilien. Durch diese weiteren Untersuchungen hoffen wir, die notwendigen Bedingungen herauszufinden, unter denen ein nicht im Gleichgewicht befindliches Steady-State-System den Zustand mit stärkerer Dissipation begünstigt.“

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