Att vara udda kan vara en bra sak, särskilt när du är en mikroskopisk cellulär organism som försöker gå platser.

Simning kan vara den första formen av motilitet som uppstod på jorden. Att simma för små djur är dock inte nödvändigtvis lätt. Makrosimmare som pilgrimsmusslor har till och med ett teorem uppkallat efter sig som förbjuder ömsesidig simning i mikroskalan.

Med andra ord säger teorin att mikroskopiska pilgrimsmusslor inte ska kunna simma alls. Här används kammusslor som en analogi för att beskriva ett enkelgångsföremål.

KyotoU-forskare har nu upptäckt en ny formel för simning baserat på deras studie av udda elasticitet, eller icke-fram- och återgående beteende av mikrosimmare. Forskarna började sin studie med att köra datormodeller av simmare.

"Vår första modell simmade oväntat bra och med vackra självgenererade drag", förklarar författaren Clément Moreau.

Mikrorobotar skapar rubriker för deras potential att säkert leverera droger eller utföra icke-påträngande kirurgi. Men medan dessa rör sig enligt förprogrammerade instruktioner, är Moreau och hans teams mikrosimmare autonoma. Deras underliggande teknologi är baserad på udda elasticitet, som uppvisar självsvängningar av aktiva material.

KyotoU-forskare från olika bakgrunder föreställde sig tillsammans en enkel modell av självgående material. Med hjälp av datorsimuleringar som kombinerar vätskedynamik, matematik och statistisk fysik, observerades mikrosimbeteende för att demonstrera autonomt riktad och deterministisk rörelse av en udda-elastisk filament.

Teamet använde Purcells simmarmodell – betraktad som en minimal modell av mikrosimning med två frihetsgrader – för att studera effektivitet, stabilitet, kontroll och andra aspekter av biologiska simmare och konstgjorda robotar. Denna trelänksmodell består av tre smala stavar av specifika längder förbundna med två gångjärn.

Vidare hittade forskarna en ny matematisk simformel, som visar att alla udda elastiska mikromaterial spontant kan generera rörelse i en vätska och skapa riktningsrörelse från slumpmässiga fluktuationer.

Teamets nästa mål är att kvantitativt uppskatta värdet av udda elasticitet för faktiska aktiva material inklusive biologiska celler, kemiskt aktiva enzymer och syntetiska mikrorobotar.

"Vi tror att vår forskning om udda elasticitet hjälper till att överbrygga klassiska beskrivningar av automatiserade mikrosimmare med vår nya autonoma rörelsemodell", avslutar Moreau.

Forskningen publicerades i Physical Review E . + Utforska vidare

Modellering av beteendet och dynamiken hos mikrosimmare