Onderzoekers van Princeton hebben een nieuwe manier geïntroduceerd om voortbeweging te genereren en mogelijk te beheersen in kleine objecten die kunstmatige zwemmers worden genoemd. Deze zwemmers hebben veel belangstelling gewekt voor hun potentiële toepassingen in de geneeskunde, industrie en andere sectoren.

Bolvormig van vorm en met twee staarten, de Princeton-zwemmers - net als veel andere kunstmatige microzwemmers - nemen een signaal van bacteriën, die afhankelijk zijn van zweepachtige aanhangsels, flagella en trilharen genaamd, om zichzelf door vloeistoffen te drijven. Daten, wetenschappers hebben allerlei impulsen uitgeprobeerd om staartzwemmers te bewegen, inclusief geluid, licht en magnetische velden. De Princeton-zwemmers, echter, innovatief hun slag kunnen slaan door blootstelling aan een elektrisch veld, gebruikmakend van een middel om beweging te creëren - bekend als Quincke-rotatie - die nog nooit eerder is gedemonstreerd in de kunstmatige zwemwereld.

"We hebben iets gevonden dat nieuw is in de natuurkunde voor het genereren van voortbeweging in kunstmatige zwemmersystemen, " zei Endao Han, een fellow in het Center for the Physics of Biological Function aan de Princeton University en hoofdauteur van een studie waarin de bevindingen worden beschreven die online zijn gepubliceerd in het nummer van 20 juli van de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Wat Endao en onze collega's in deze studie hebben aangetoond, is prachtige natuurkunde die inzichten uit veel verschillende velden combineert, " zei senior auteur Howard Stone, de Donald R. Dixon '69 en Elizabeth W. Dixon hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Princeton University.

De nieuwe studie bouwt voort op theoretisch werk onder leiding van co-auteur Lailai Zhu, een voormalig postdoc in Stone's lab in Princeton en nu aan de National University of Singapore. In studies gepubliceerd in 2019 en 2020, Zhu simuleerde in een computerprogramma dat sferische kunstmatige zwemmers met elastische staarten door een medium moeten bewegen, aangedreven door Quincke rotatie. Deze rotatie kan optreden wanneer isolatiematerialen worden ondergedompeld in een zwak geleidende vloeistof en worden blootgesteld aan een elektrisch veld. Het elektrische veld, hoewel het zelf stabiel en constant is, creëert niettemin een instabiliteit die zich manifesteert als een draaiende kracht, waardoor het materiaal - meestal in de vorm van een bol - in de vloeistof roteert. Wanneer een staart of staarten op de roterende bol worden geplaatst, de staarten kunnen buigen in de spiraalvormige vormen waarop bacteriën gewoonlijk vertrouwen om stuwkracht te genereren.

Dit soort bewegingen, bekend als niet-reciproke beweging, is nodig voor micro-organismen en andere kleine dingen, natuurlijk of kunstmatig, door vloeistoffen te reizen. Op menselijke schaal, fundamentele wederzijdse beweging, "zoals de heen-en-weer beweging van een roeispaan, " zei Steen, overwint de traagheid en viscositeit van water. Viscositeit is een maat voor interne wrijving, verwant aan de "dikte" van een vloeistof. Maar op kleine schaal, viscositeit kan voorkomen dat wederzijdse beweging zich vertaalt in voorwaartse beweging. Voor micro-organismen en kunstmatige micro-zwemmers, in plaats daarvan duwt een kurkentrekkerachtige beweging van niet-wederkerige beweging het vloeibare medium met succes naar achteren, en dus tegelijkertijd de zwemmer naar voren.

Voor de kunstmatige zwemmer in hun studeerkamer, Han en collega's gingen met iets relatief groots en dus gemakkelijk te observeren, namelijk een plastic bol van ongeveer zes millimeter in doorsnee. De onderzoekers plakten vervolgens nylon chirurgische hechtingen om als staartachtige filamenten te dienen. Het vloeibare medium in het experiment bleek ook op dezelfde manier low-tech. Om te zien of de getheoretiseerde Quincke-rotatiemethode in het echte leven zou werken, de onderzoekers moesten een olie identificeren met de juiste elektrische eigenschappen en overeenkomend met de dichtheid van de zwemmer. Om aan deze criteria te voldoen, ging het door een periode van vallen en opstaan ​​met verschillende in de winkel gekochte kook- en andere plantaardige oliën die bij de productie worden gebruikt. uiteindelijk, de onderzoekers stuitten op een mengsel van halve olijfolie en halve ricinusolie.

Binnen dit medium de experimenten toonden aan dat een zwemmer met twee staarten rotatie beter in beweging vertaalde dan een enkelstaartige zwemmer. Door de elektrische veldsterkte en de hoek tussen de twee staarten te variëren, de onderzoekers toonden uiteindelijk drie verschillende soorten beweging aan. Twee van de bewegingen functioneerden op dezelfde manier als het stampen en rollen van een vliegend vliegtuig, waarbij de eerste verschijnt terwijl de staarten aan weerszijden van de roterende bol uitsteken, en de laatste als de staarten wijzen achter de bol terwijl deze draait. De derde beweging was zelf-oscillerend, wat betekent dat de bol een kant op draaide, dan de andere kant op, en weer terug, herhaaldelijk, ook al is de stroombron het elektrische veld, was constant en zonder enige oscillatie.

Algemeen, de verschillende soorten verkregen bewegingen verrasten de onderzoekers en wezen op de niveaus van dynamische controle die konden worden bereikt.

"Terwijl ons experiment vorderde, we vonden nog rijkere fenomenen dan we hadden verwacht, " zei Han. "We ontdekten dat dit systeem misschien niet alleen een nieuwe manier is om dingen in beweging te krijgen, maar ook dat we de beweging van de zwemmer effectief kunnen controleren, wat het veel nuttiger maakt."

Eric Lauga, die niet bij het onderzoek betrokken was, gaf commentaar op de vooruitgang die het onderzoek vertegenwoordigt op het gebied van kunstmatig zwemmen. "Het is een veld dat voornamelijk door theorie wordt gedreven, dus het is altijd een grote sprong voorwaarts als kunstmatige zwemmers worden gerealiseerd in het lab, " zei Lauga, hoogleraar toegepaste wiskunde aan de Universiteit van Cambridge. "Er zijn maar zo veel [zwemmers] die zijn gefabriceerd en gekwantificeerd op een manier die volledig wordt begrepen, dus het is altijd spannend als dat gebeurt."

Han en Stone voegden eraan toe dat de eenvoud van hun kunstmatige zwemmersysteem betekent dat het gemakkelijk kan worden opgeschaald of verlaagd. Verkleining tot zeer kleine apparaten kan mogelijk leiden tot industrieel gebruik in olieachtige media en omgevingen, bijvoorbeeld. Een vooruitzicht op de kortere termijn voor het onderzoek is om het systeem te gebruiken voor het verder verkennen van een nieuwe manier om beweging te genereren. Onderzoekers zullen daarom de fysica van individuele zwemmers verder willen bestuderen. Opschalen naar groepen zwemmers, In de tussentijd, kan inzicht geven in hoe groepen bacteriën zich voortbewegen, evenals het zwermgedrag van bacteriën of grotere organismen.

"We beginnen net te zien wat de mogelijkheden zijn met dit soort kunstzwemmers, " zei Han. "We kijken ernaar uit om meer inzichten te krijgen en het potentiële nut ervan te beseffen."

Joshua Shaevitz, een professor in de natuurkunde en het Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics in Princeton, is ook co-auteur van de studie.