Naukowcy z Instytutu Dynamiki i Samoorganizacji Maxa Plancka (MPI-DS), Indyjskiego Instytutu Technologii (IIT) w Hyderabadzie i Uniwersytetu Twente w Holandii zbadali zastosowanie pól elektrycznych w połączeniu z technikami przepływu do manipulowania ruchem ciał sztuczne mikropływaki w kanałach.
Pływaki te, mogą być biologiczne jak bakterie lub zaprojektowane na zamówienie, odgrywają kluczową rolę w takich zadaniach, jak dostarczanie leków w wąskich przestrzeniach. Badanie ujawniło różne wzorce ruchu, takie jak przyleganie do ściany, nawigacja po linii środkowej, a nawet zawracanie, oferując nowy sposób precyzyjnego sterowania tymi mikrourządzeniami.
Nawigacja mikropływaczka
Mikropływacze, takie jak glony, bakterie lub specjalnie zaprojektowane struktury, często muszą poruszać się po wąskich przestrzeniach, takich jak mikrokanały, porowate materiały, a nawet naczynia krwionośne. Kiedy specjalnie zaprojektowanych pływaków wykorzystuje się do zadań takich jak transport chemikaliów lub dostarczanie leków, niezwykle istotne jest kontrolowanie ich ruchu w pobliżu ścian i granic. Chociaż mogą potrzebować wymiany paliwa lub informacji z otoczeniem, muszą także unikać przyklejania się do powierzchni, na których mogliby zostać uwięzieni.
Wskazówki dotyczące pola elektrycznego w sterowaniu mikropływakami
Ponieważ wiele z tych mikropływaków jest naładowanych elektrycznie, pola elektryczne oferują elastyczny sposób prowadzenia ich przez złożone środowiska. Naukowcy z MPI-DS zbadali to w eksperymentach z samobieżnymi sztucznymi mikropływakami.
„Zbadaliśmy wpływ kombinacji pól elektrycznych i przepływu wywołanego ciśnieniem na stany ruchu sztucznych mikropływaków w kanale” – wyjaśnia Corinna Maass, liderka grupy w MPI-DS i profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Twente. „Zidentyfikowaliśmy różne tryby ruchu i parametry systemu, które je kontrolują”.
W poprzednie badanianaukowcy wykazali, że ci sztuczni pływacy mają tendencję do poruszania się w górę rzeki, oscylując między ścianami kanału. Teraz, dzięki temu nowemu odkryciu, mogą precyzyjnie kontrolować ruch pływaków, przykładając pola elektryczne i przepływ przez kanał.
Zwiększanie manewrowości mikropływaków
W ten sposób badacze wygenerowali szeroki zakres możliwych wzorców motoryki: pływakom można poinstruować, aby przylegali do ścian kanału lub podążali za jego linią środkową, wykonując ruch oscylacyjny lub prosty. Potrafią także zawracać, jeśli wyruszają w złym kierunku. Naukowcy przeanalizowali te różne stany, korzystając z ogólnego modelu hydrodynamicznego, który można zastosować w przypadku każdego pływaka wyposażonego w ładunek powierzchniowy.
Ranabir Dey, adiunkt w IIT Hyderabad, wyjaśnia: „Pokazujemy, że ruchliwość naładowanych pływaków można dodatkowo kontrolować za pomocą zewnętrznych pól elektrycznych. Nasz model może pomóc zrozumieć i dostosować sztucznych mikropływaków oraz zapewnić inspirację dla autonomicznych mikrorobotów i innych zastosowań biotechnologicznych”.
Odniesienie: „Elektrotaksja sztucznych pływaków samobieżnych w mikrokanałach”, autor: Carola M. Buness, Avi Rana, Corinna C. Maass i Ranabir Dey, 7 października 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.158301
