Princeton-forskare har debuterat ett nytt sätt att generera och potentiellt kontrollera förflyttning i små föremål som kallas konstgjorda simmare. Dessa simmare har väckt stort intresse för deras potentiella tillämpningar inom medicin, industri och andra sektorer.

Sfärisk form och med två svansar, Princeton-simmare – precis som många andra konstgjorda mikrosimmare – tar en signal från bakterier, som förlitar sig på piskliknande bihang som kallas flageller och flimmerhår för att driva sig igenom vätskor. Hittills, forskare har prövat alla möjliga drivkrafter för att framkalla svansrörelser, inklusive ljud, ljus och magnetiska fält. Princetonsimmare, dock, innovativt få sin väg från exponering för ett elektriskt fält, utnyttja ett sätt att skapa rörelse – känd som Quincke-rotation – som aldrig tidigare demonstrerats i det konstgjorda simområdet.

"Vi hittade något som är nytt inom fysiken för rörelsegenerering i konstgjorda simmarsystem, " sa Endao Han, en stipendiat vid Center for the Physics of Biological Function vid Princeton University och huvudförfattare till en studie som beskriver resultaten som publicerades online i 20 juli-numret av Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vad Endao och våra kollegor har visat i den här studien är vacker fysik som kombinerar insikter från många olika områden, " sa studie senior författare Howard Stone, Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor i maskin- och rymdteknik vid Princeton University.

Den nya studien bygger på teoretiskt arbete ledd av medförfattaren Lailai Zhu, en tidigare postdoc i Stones labb i Princeton och nu vid National University of Singapore. I studier publicerade 2019 och 2020, Zhu simulerade i ett datorprogram att sfäriska konstgjorda simmare med elastiska svansar skulle röra sig genom ett medium, drivs av Quincke-rotation. Denna rotation kan uppstå när isoleringsmaterial är nedsänkta i en svagt ledande vätska och utsätts för ett elektriskt fält. Det elektriska fältet, även om det är stabilt och konstant, skapar inte desto mindre en instabilitet som visar sig som en vridande kraft, vilket får materialet - vanligtvis format som en sfär - att rotera i vätskan. När en eller flera svansar placeras på den roterande sfären, svansarna kan böjas till de spiralformade former som vanligtvis förlitas på av bakterier för att generera dragkraft.

Den här typen av rörelse, känd som icke-ömsesidig rörelse, är nödvändigt för mikroorganismer och andra småsaker, naturligt eller konstgjort, att resa genom vätskor. På mänskliga skalor, grundläggande ömsesidig rörelse, "som rörelsen fram och tillbaka av en båtåra, sa Stone, övervinner vattnets tröghet och viskositet. Viskositet är ett mått på inre friktion, liknande "tjockleken" på en vätska. Men i liten skala, viskositet kan förhindra ömsesidig rörelse från att översättas till rörelse framåt. För mikroorganismer och konstgjorda mikrosimmare, istället för en korkskruvsliknande rörelse av icke-ömsesidig rörelse framgångsrikt vätskemediet bakåt, och därmed samtidigt simmaren framåt.

För konstsimmaren i deras arbetsrum, Han och kollegor gick med något relativt stort och därmed lätt att observera — nämligen, en plastkula cirka sex millimeter i diameter. Forskarna limmade sedan på kirurgiska suturer av nylon för att fungera som svansliknande filament. Det flytande mediet i experimentet visade sig också vara lågteknologiskt. För att se om den teoretiserade Quincke-rotationsmetoden skulle fungera i verkligheten, forskarna var tvungna att identifiera en olja med rätt elektriska egenskaper och matchande densiteten hos simmaren. Att uppfylla dessa kriterier innebar att man gick igenom en period av försök och misstag med olika matlagnings- och andra vegetabiliska oljor som används i tillverkningen. I sista hand, forskarna träffade på en blandning av hälften olivolja och hälften ricinolja.

Inom detta medium, experimenten visade att en simmare med två svansar översatte rotation till rörelse bättre än en enkelsvansad simmare. Genom att variera det elektriska fältets styrka och vinkeln mellan de två svansarna, forskarna visade slutligen tre olika typer av rörelse. Två av rörelserna fungerade på samma sätt som stigningen och rullningen av ett flygplan, med den förstnämnda som visas när svansarna sticker ut på vardera sidan av den roterande sfären, och det senare eftersom svansarna pekar bakom sfären när den snurrar. Den tredje rörelsen var självsvängande, vilket betyder att sfären vrids åt ett håll, sedan tillbaka åt andra hållet, och tillbaka igen, upprepat, även om strömkällan, det elektriska fältet, var konstant och utan någon svängning.

Övergripande, de många typerna av erhållna rörelser överraskade forskarna och antydde nivåerna av dynamisk kontroll som kunde uppnås.

"När vårt experiment fortsatte, vi hittade ännu rikare fenomen än vi förväntade oss, " sa Han. "Vi upptäckte att det här systemet kanske inte bara är ett nytt sätt att få saker att röra sig, men också att vi kan effektivt kontrollera simmarens rörelse, vilket gör det mycket mer användbart."

Eric Lauga, som inte var involverad i forskningen, kommenterade de framsteg som studien representerar för området konstsim. "Det är ett område som främst drivs av teori, så det är alltid ett stort steg framåt när konstgjorda simmare förverkligas i labbet, sa Lauga, professor i tillämpad matematik vid University of Cambridge. "Det finns bara så många [simmare] som har tillverkats och kvantifierats på ett sätt som är fullt förstått, så det är alltid spännande när det händer."

Han och Stone tillade att enkelheten i deras konstgjorda simmarsystem innebär att det lätt kan skalas upp eller ner. Nedskalning till mycket små enheter kan potentiellt leda till industriell användning i oljiga medier och miljöer, till exempel. En närmare sikt för forskningen är att använda systemet för att ytterligare utforska ett nytt sätt att generera rörelse. Forskare kommer därför att vilja studera individuella simmares fysik ytterligare. Skala upp till grupper av simmare, under tiden, kan ge insikter om hur grupper av bakterier rör sig, samt de svärmande beteenden som uppvisas av bakterier eller större organismer.

"Vi har precis börjat se vilka möjligheter som finns med den här typen av konstsimmare, ", sa Han. "Vi ser fram emot att få fler insikter och inse dess potentiella användbarhet."

Joshua Shaevitz, en professor i fysik och Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics vid Princeton, är också medförfattare till studien.