Terwijl de kortste weg tussen twee punten een rechte verbinding is, is dit misschien niet de meest efficiënte weg om te volgen. Complexe stromingen beïnvloeden vaak de beweging van microzwemmers en maken het moeilijk voor hen om hun bestemming te bereiken. Tegelijkertijd is het een zeker evolutionair voordeel om deze stromen te gebruiken om zo snel mogelijk te navigeren.

Terwijl dergelijke strategieën biologische microzwemmers in staat stellen beter toegang te krijgen tot voedsel of te ontsnappen aan een roofdier, kunnen microrobots op deze manier worden aangestuurd om specifieke taken uit te voeren.

Het optimale pad in een bepaalde stroom kan gemakkelijk wiskundig worden bepaald, maar fluctuaties verstoren de beweging van microzwemmers en doen ze afwijken van de optimale route. Ze moeten dus hun beweging aanpassen om rekening te houden met veranderingen in de omgeving. Dit vereist meestal de hulp van een externe tolk en neemt hun autonomie weg.

"Dankzij de evolutie hebben sommige micro-organismen autonome strategieën ontwikkeld die gerichte beweging naar een grotere concentratie van voedingsstoffen of licht mogelijk maken", legt eerste auteur van de studie Lorenzo Piro uit. Geïnspireerd door dit idee hebben de onderzoekers van de afdeling Living Matter Physics van de MPI-DS strategieën ontworpen waarmee microzwemmers op een bijna autonome manier optimaal kunnen navigeren.

Licht als gids voor autonome navigatie

Wanneer een externe tolk het navigatiepatroon definieert, volgen microzwemmers gemiddeld een goed gedefinieerd pad. Het is dus een goede benadering om de microzwemmer langs dat pad binnen de stroming te leiden. Dit kan autonoom worden bereikt via externe prikkels, ondanks de aanwezigheid van fluctuaties.

Dit principe zou kunnen worden toegepast op zwemmers die reageren op variatie van licht, zoals bepaalde algen, in welk geval het optimale pad eenvoudig kan worden verlicht. Opmerkelijk is dat de resulterende prestaties vergelijkbaar zijn met extern gecontroleerde navigatie. "Deze nieuwe strategieën kunnen bovendien gemakkelijk worden toegepast op complexere scenario's, zoals navigatie op gebogen oppervlakken of in aanwezigheid van willekeurige stromingen", concludeert Ramin Golestanian, directeur bij MPI-DS.

Mogelijke toepassingen van de studie variëren dus van gerichte medicijnafgifte op microschaal tot het optimale ontwerp van autonome micromachines.

Het onderzoek is gepubliceerd in de New Journal of Physics .