Amoeben zijn ongewone wezens die ontstaan ​​wanneer een verspreide populatie van cellen spontaan samenkomt en zichzelf reorganiseert tot een meercellig macroscopisch organisme. Om dit te doen, een paar leidercellen zenden chemische pulsen uit die ervoor zorgen dat de andere individuele cellen in de richting tegengesteld aan die van de reizende pulsen bewegen, wat leidt tot de vorming van dichte clusters.

De waarneming dat de amoebecellen tegen de lopende golf in bewegen, die de "verspreidende golfparadox" wordt genoemd, " heeft onderzoekers lange tijd in verwarring gebracht. Dit komt omdat deze beweging verschilt van het gebruikelijke gedrag van de amoebe bij het zoeken naar voedsel in een doolhofachtige omgeving. In deze scenario's, de chemische signalen zijn statisch in plaats van gepulseerd, en de amoebe-cellen bewegen naar de hogere chemische concentraties.

Het vermogen van de amoebe-cellen om soms tegen een lopende chemische golf in te bewegen, suggereert dat de cellen een soort geheugen hebben. Echter, in een nieuwe studie, Celia Lozano en Clemens Bechinger aan de Universiteit van Konstanz, Duitsland, hebben hetzelfde gedrag aangetoond in microdeeltjes wanneer ze worden verlicht door lichtpulsen met verschillende snelheden. Omdat microdeeltjes geheugenloos zijn, het gedrag in dit geval moet worden verklaard door een mechanisme dat niet afhankelijk is van het geheugen.

"Ondanks dat we geen hersens hebben, synthetische microzwemmers kunnen sommige geavanceerde gedragingen van levende organismen nabootsen, in het bijzonder hun reactie op lopende pulsen is vergelijkbaar (hoewel van zeer verschillende oorsprong), "Bechinger vertelde" Phys.org . "Met het oog op toekomstige toepassingen van microzwemmers als autonome microrobots, het zal belangrijk zijn om hun gedrag te coördineren en te synchroniseren. De diffusiegolfparadox kan daarbij een belangrijke rol spelen."

Hoewel numerieke simulaties hebben voorspeld dat zelfrijdende microdeeltjes, actieve deeltjes genaamd, in staat zijn om zowel langs als tegen een voortschrijdende puls te bewegen, de nieuwe studie markeert de eerste keer dat dit gedrag experimenteel is aangetoond.

Bij experimenten, de onderzoekers gebruikten bolvormige deeltjes die half bedekt zijn met een koolstofkap en in een stroperige vloeistof zijn geplaatst. Wanneer verlicht door licht, de deeltjes stuwen zichzelf voort met de dop ervoor. De onderzoekers toonden aan dat de beweging van de actieve deeltjes ten opzichte van een puls afhangt van de snelheid van de puls. Bij lage pulssnelheden, de deeltjes hebben genoeg tijd om zich te heroriënteren, indien nodig, zodat hun doppen in dezelfde richting wijzen als die van de lopende pulsen. Deze oriëntatie zorgt ervoor dat de deeltjes in dezelfde richting reizen als de pulsen.

Bij hoge polssnelheden anderzijds, de pulsen komen te snel voor de deeltjes om zichzelf te heroriënteren voordat de volgende komt. Dit komt omdat de rotatiesnelheid van de deeltjes wordt beperkt door de wrijving van de viskeuze vloeistof. Dus als de kapjes van de deeltjes in eerste instantie gericht zijn op de naderende pulsen, de deeltjes zullen tegen de richting van de reizende pulsen in bewegen, die lijkt op het gedrag van amoeben in de diffuse golfparadox.

Deze methode opent de deuren naar een nieuw soort stuurstrategie om actieve deeltjes in twee mogelijke richtingen te sturen. Momenteel, de meeste stuurstrategieën zijn afhankelijk van topografische of statische optische structuren, die het alleen mogelijk maken om deeltjesbeweging in een enkele richting te regelen.

Naast het sturen, de onderzoekers toonden ook aan dat de nieuwe aanpak kan worden gebruikt voor het sorteren van actieve deeltjes. Als voorbeeld, ze hebben aangetoond dat omdat grote deeltjes zich sneller kunnen oriënteren dan kleinere, het gebruik van tussenliggende pulssnelheden maakt het mogelijk om grote deeltjes in de richting van de golf te sturen en kleinere deeltjes in de tegenovergestelde richting, gemiddeld.

Hoewel de mechanismen voor actieve deeltjes en amoeben verschillend zijn, beide systemen vertonen het diffuse golfparadoxgedrag. In het geval van de synthetische deeltjes, het gedrag kan op een dag leiden tot het ontwerp van micro-robotsystemen die complexe gecontroleerde bewegingen kunnen realiseren, ondanks het feit dat ze beperkte signaalverwerkingscapaciteiten hebben.

"Mogelijke toepassingen van microzwemmers is om ze te vullen met medicijnen, die vervolgens op specifieke plaatsen worden afgeleverd, " zei Bechinger. "Vanwege hun gerichte actieve beweging, een dergelijke gerichte medicijnafgifte kan veel efficiënter worden bereikt in vergelijking met puur diffuse beweging. Op een soortgelijke manier, synthetische zwemmers kunnen ook worden uitgerust met detectiemechanismen, om vloeibare omgevingen te verkennen. Eindelijk, er wordt gewerkt aan het in elkaar zetten van microzwemmers, zoals tandwielen of kleine motoren, die mechanisch werk kan verrichten op kleine lengteschalen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk