Amöbor är ovanliga varelser som bildas när en spridd population av celler spontant samlas och omorganiserar sig till en flercellig makroskopisk organism. Att göra detta, ett fåtal ledarceller avger kemiska pulser som gör att de andra individuella cellerna rör sig i motsatt riktning mot de resande pulserna, leder till bildandet av täta kluster.

Observationen att amöbacellerna rör sig mot den vandringsvågen, som kallas "diffuserande vågparadoxen, " har förbryllat forskare under lång tid. Detta beror på att denna rörelse skiljer sig från amöbans vanliga beteende när de letar efter mat i en labyrintliknande miljö. I dessa scenarier, de kemiska signalerna är statiska istället för pulsade, och amöbacellerna rör sig mot de högre kemiska koncentrationerna.

Amöbacellernas förmåga att ibland röra sig mot en resande kemisk våg tyder på att cellerna har något slags minne. Dock, i en ny studie, Celia Lozano och Clemens Bechinger vid universitetet i Konstanz, Tyskland, har visat samma beteende i mikropartiklar när de belyses av ljuspulser med varierande hastighet. Eftersom mikropartiklar är minneslösa, beteendet i det här fallet måste förklaras av en mekanism som inte är beroende av minne.

"Trots att jag inte har någon hjärna, syntetiska mikrosimmare kan härma vissa sofistikerade beteenden hos levande organismer - i synnerhet, deras svar på löppulser är liknande (även om de har mycket olika ursprung), " berättade Bechinger Phys.org . "Med tanke på framtida tillämpningar av mikrosimmare som autonoma mikrorobotar, det kommer att vara viktigt att samordna och synkronisera deras beteende. Den spridande vågparadoxen kan spela en viktig roll i detta sammanhang."

Även om numeriska simuleringar har förutspått att självgående mikropartiklar som kallas aktiva partiklar kan röra sig både längs med och mot en resande puls, den nya studien är första gången som detta beteende har demonstrerats experimentellt.

I experiment, forskarna använde sfäriska partiklar som är halvbelagda med ett kollock och placerade i en trögflytande vätska. När den är upplyst av ljus, partiklarna driver sig själva framåt med locket framför. Forskarna visade att de aktiva partiklarnas rörelse i förhållande till en puls beror på pulsens hastighet. Vid låga pulshastigheter, partiklarna har tillräckligt med tid att omorientera sig, om det behövs, så att deras kåpor är vända i samma riktning som rörelsepulsernas. Denna orientering säkerställer att partiklarna färdas i samma riktning som pulserna.

Vid höga pulshastigheter, å andra sidan, pulserna kommer för snabbt för att partiklarna ska kunna omorientera sig innan nästa kommer. Detta beror på att partiklarnas rotationshastighet begränsas av friktionen hos den trögflytande vätskan. Så om partiklarnas lock initialt är vända mot de mötande pulserna, partiklarna kommer att röra sig mot riktningen för färdpulserna, liknar amöbans beteende i den diffusa vågparadoxen.

Denna metod öppnar dörrarna för en ny typ av styrstrategi för att styra aktiva partiklar i två möjliga riktningar. För närvarande, de flesta styrstrategier beror på topografiska eller statiska optiska strukturer, som endast tillåter styrning av partikelrörelse i en enda riktning.

Förutom att styra, forskarna visade också att den nya metoden kunde användas för att sortera aktiva partiklar. Som ett exempel, de visade att eftersom stora partiklar kan orientera sig snabbare än mindre, med hjälp av mellanliggande pulshastigheter gör det möjligt att styra stora partiklar i vågens riktning och mindre partiklar i motsatt riktning, i genomsnitt.

Även om mekanismerna är olika för aktiva partiklar och amöba, båda systemen uppvisar det diffusande vågens paradoxbeteende. När det gäller de syntetiska partiklarna, beteendet kan en dag leda till design av mikrorobotsystem som kan uppnå komplexa kontrollerade rörelser, trots att de har begränsade signalbehandlingsförmåga.

"Möjliga tillämpningar för mikrosimmare är att ladda dem med droger, som sedan levereras till specifika platser, ", sa Bechinger. "På grund av deras riktade aktiva rörelse, sådan riktad läkemedelstillförsel kan åstadkommas mycket mer effektivt jämfört med rent diffusiv rörelse. På ett liknande sätt, syntetiska simmare kan också vara utrustade med avkänningsmekanismer, att utforska flytande miljöer. Till sist, det pågår ett pågående arbete med att montera mikrosimmare, såsom växlar eller små motorer, som kan utföra mekaniskt arbete i liten skala."

© 2019 Science X Network