Schwimmroboter beleuchtet Mikroorganismen in Bewegung

Allein durch ihre Bewegung vollbringen Mikroorganismen wie Bakterien und Spermien eine bemerkenswerte Leistung. Die Auswirkungen der Viskosität werden in kleinen Maßstäben verstärkt, was bedeutet, dass ein im Wasser schwimmender Mikroorganismus ein bisschen wie eine Person ist, die versucht, in einer Teergrube Rückenschwimmen zu machen. Wissenschaftler haben immer noch kein vollständiges Bild davon, wie sie das tun.

Ein Team aus Studenten und Lehrkräften der Brown University hat ein neues Tool entwickelt, das Forschern helfen soll, die Bewegungen von Mikroorganismen besser zu verstehen. Es ist ein Schwimmroboter, der die Aktion eines Flagellums nachahmt, dem korkenzieherartigen Anhängsel, mit dem sich viele Mikroorganismen fortbewegen. Indem diese Schwimmbewegung in die makroskopische Welt gebracht wird, erleichtert das Gerät die Untersuchung der Fluiddynamik der Flagellenbewegung. Und weil es selbstfahrend, rekonfigurierbar und ferngesteuert ist, können Forscher Experimente durchführen, die mit echten Mikroorganismen unmöglich wären.

Die Forscher beschrieben ihr Gerät in einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Überprüfung der wissenschaftlichen Instrumente. Das Team hofft, dass die vom Gerät gewonnenen Erkenntnisse in allen Bereichen von Nutzen sein könnten, von der Fruchtbarkeitsbehandlung bis hin zum Verständnis der Ausbreitung von Infektionen im Körper.

„Mikroorganismen verwenden eine unglaublich komplexe Form der Fortbewegung“, sagte Roberto Zenit, Professor an der Brown’s School of Engineering und leitender Autor der Studie. „Wir haben mathematische Modelle, die Annäherungen an die Funktionsweise machen, aber um diese Annäherungen zu verbessern, müssen wir detaillierte Messungen der Geschwindigkeitsfelder um diese Organismen herum vornehmen. Wir hoffen, dass wir ein Gerät bauen, das dieses Schwimmen so genau wie möglich nachahmen kann einige dieser Messungen.“

Zenit arbeitete seit mehreren Jahren an Modellen für das Schwimmverhalten von Mikroorganismen. Zuvor hatte er ein tablettengroßes Gerät entwickelt, das einen Magneten enthielt, der durch ein oszillierendes Magnetfeld zum „Schwimmen“ gebracht werden konnte. Das Gerät war eine vernünftige Annäherung an das Schwimmen von Bakterien, aber Zenit wollte es verbessern.

„Echte Bakterien brauchen kein Magnetfeld, weil sie über eine innere Kraft verfügen“, sagte Zenit. „Wir wollten sehen, ob wir etwas Selbstfahrendes entwickeln können.“

Also wandte sich Zenit an Daniel Harris, einen Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften an der Brown University, dessen Labor auf den Bau kundenspezifischer Geräte für die Fluiddynamikforschung spezialisiert ist. Harris unterrichtet einen fortgeschrittenen Flüssigkeitskurs, in dem Gruppen von Studenten praktische Projekte als Teil einer breiteren Initiative bei Brown in Angriff nehmen, um Forschungsmöglichkeiten in den Lehrplan für Studenten zu integrieren. Zenit und Harris dachten, dass die Entwicklung eines Roboterprototyps ein gutes Projekt für eine Gruppe von Harris‘ Schülern sein könnte.

Unter der Leitung von Harris arbeitete ein Team von Studenten ein Semester lang an der Entwicklung eines Prototyps. Ein Mitglied der Gruppe, Matthew Styslinger, arbeitete bis zu seinem Abschluss im Jahr 2021 als Senior Capstone-Projekt weiter an dem Projekt. Der Student Asimanshu Das nahm das Projekt auf, fügte Funktionen hinzu und vervollständigte das Design.

Das Gerät basiert auf der Geometrie eines E. coli-Bakteriums. Es hat einen zylindrischen Kopf, der auf einem 3D-Drucker hergestellt wurde und etwa 6 cm lang und 2 cm im Durchmesser ist. Der wasserdichte Kopf beherbergt einen kleinen Motor, ein Netzteil und andere Elektronik. Der Motor treibt einen spiralförmigen Schwanz an, ebenfalls aus dem 3D-Drucker, der etwa 9 Zentimeter lang ist. Die Endstücke können ein- und ausgewechselt werden, um mit verschiedenen Steigungswinkeln und Geometrien zu experimentieren. Eine Fernbedienung regelt Motordrehzahl und Drehrichtung.

Das Team führte eine Reihe von Benchmark-Experimenten durch, bei denen das Gerät in einer Mischung aus Maissirup und Wasser schwamm, was ungefähr der Viskosität eines Schwimmers im Mikromaßstab entspricht, der allein durch Wasser pflügt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Schwimmleistung des Geräts mit den Vorhersagen eines einfachen Widerstandskraftmodells übereinstimmt, derselben Theorie, die häufig angewendet wird, um die Bewegung des mikroskopischen Gegenstücks des Geräts zu rationalisieren.

Nach der Validierung des Geräts plant das Team nun eine Vielzahl von Experimenten, um ein neues Licht auf das Spiralschwimmen zu werfen.

„Das gibt uns die Möglichkeit, makroskopische Experimente durchzuführen, über die wir die volle Kontrolle haben“, sagte Harris. „Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einem Bakterium zu sagen, dass es in eine bestimmte Richtung schwimmen oder seinen Spiralwinkel ändern soll. Das ist ziemlich schwierig. Aber es ist etwas, was wir damit machen können.“

In Zukunft plant das Team, detaillierte Messungen der Strömungsfelder um ihre Schwimmer herum vorzunehmen. Sie hoffen, einige Schlüsselfragen zu klären, die noch offen sind, wie zum Beispiel, was mit Strömungen passiert, wenn ein Mikroorganismus auf eine harte Wand trifft, oder wie sich die Strömung ändert, wenn mehrere Organismen zusammen schwimmen.

„Dies ist ein großartiges Beispiel für die Art der Zusammenarbeit, die wir hier in der School of Engineering betreiben“, sagte Zenit. „Dieses Projekt begann mit Studenten, die an einem Klassenprojekt arbeiteten, aber am Ende war es etwas, mit dem wir ein echtes Forschungsproblem angehen können.“