Två mikrosimmare anpassar sin orientering för att hålla sig nära den upplysta banan och nå målet snabbare. Att göra denna omväg kan vara mycket fördelaktigt eftersom den raka vägen skulle leda dem mot strömmen (indikerat med de grå pilarna). Kredit:MPI-DS
Medan den kortaste vägen mellan två punkter är en rak förbindelse, kanske det inte är den mest effektiva vägen att följa. Komplexa strömmar påverkar ofta mikrosimmares rörelser och gör det svårt för dem att nå sin destination. Samtidigt är det en viss evolutionär fördel att använda dessa strömmar för att navigera så snabbt som möjligt.
Medan sådana strategier tillåter biologiska mikrosimmare att bättre få tillgång till mat eller undkomma ett rovdjur, kan mikrorobotar på detta sätt styras för att utföra specifika uppgifter.
Den optimala vägen i en given ström kan lätt bestämmas matematiskt, men fluktuationer stör mikrosimmares rörelser och avviker dem från den optimala vägen. Därför måste de justera sin motion för att ta hänsyn till miljöförändringar. Detta kräver vanligtvis hjälp av en extern tolk och tar bort deras autonomi.
"Tack vare evolutionen har vissa mikroorganismer utvecklat autonoma strategier som möjliggör riktad rörelse mot större koncentration av näringsämnen eller ljus", förklarar första författaren till studien Lorenzo Piro. Inspirerade av denna idé, designade forskarna från institutionen för levande materiens fysik vid MPI-DS strategier som gör det möjligt för mikrosimmare att navigera optimalt på ett nästan autonomt sätt.
Lätt som en guide för autonom navigering
När en extern tolk definierar navigeringsmönstret följer mikrosimmare i genomsnitt en väldefinierad väg. Därför är det ett bra tillvägagångssätt att guida mikrosimmaren längs den vägen inom strömmen. Detta kan uppnås autonomt via externa stimuli, trots närvaron av fluktuationer.
Denna princip skulle kunna tillämpas på simmare som reagerar på ljusvariationer, såsom vissa alger, i vilket fall den optimala vägen helt enkelt kan belysas. Anmärkningsvärt nog är de resulterande prestationerna jämförbara med externt övervakad navigering. "Dessa nya strategier kan dessutom bekvämt tillämpas på mer komplexa scenarier som navigering på krökta ytor eller i närvaro av slumpmässiga strömmar", avslutar Ramin Golestanian, direktör på MPI-DS.
Möjliga tillämpningar av studien sträcker sig alltså från riktad läkemedelsleverans i mikroskala till optimal design av autonoma mikromaskiner.
Forskningen publiceras i New Journal of Physics .
