Ученые раскрыли механизм, позволяющий микроскопическим пловцам, таким как сперматозоиды и бактерии, двигаться быстрее, когда они собираются в группы в замкнутых пространствах. Это открытие, сделанное совместно исследователями из Университета Лафборо и Индийского института науки и опубликованное в журнале Physical Review Letters, может значительно ускорить разработку микророботов для целевой доставки лекарств в организме.
Основная причина ускорения заключается в том, что коллективное движение микропловцов изменяет физические свойства окружающей их жидкости. Это взаимодействие снижает сопротивление жидкости и одновременно усиливает движущую силу каждого отдельного пловца. В результате группа движется эффективнее и быстрее, чем мог бы каждый ее член поодиночке. Важно отметить, что этот эффект проявляется именно при движении в ограниченных, замкнутых средах, где группы создают особые поля течений в жидкости, способствующие повышению эффективности.
Для изучения этого явления исследователи использовали теоретические модели и компьютерное моделирование, сосредоточившись на инфузории-туфельке (Paramecium). Эти крошечные одноклеточные организмы, обитающие в воде, передвигаются с помощью ресничек (cilia), и их стиль плавания схож с движением других микропловцов, включая сперматозоиды. В симуляциях анализировалось поведение как отдельных особей, так и групп численностью до десяти микропловцов.
Моделирование проводилось в условиях ограниченной жидкокристаллической среды. Жидкие кристаллы уникальны тем, что текут подобно жидкостям, но их молекулы сохраняют упорядоченное расположение. Такие структурированные жидкости естественным образом встречаются в биологических системах, например, в клеточных мембранах и тканях. Как пояснил ведущий автор исследования доктор Шубхадип Мандал из Индийского института науки, ключевые свойства этих сложных жидкостей — анизотропия и эластичность — присутствуют в таких биологических средах, как слизь, слюна и цитоскелет клетки, и существенно влияют на движение пловцов. Том Мейсон, аспирант Университета Лафборо и со-ведущий автор, уточнил, что изучался специфический тип среды, известный как нематические микропловцы в ограниченном пространстве.
Исследование выявило несколько ключевых аспектов коллективного плавания. Во-первых, создаваемые группой поля течений действительно снижают сопротивление и улучшают пропульсию. Во-вторых, средняя скорость движения возрастает по мере увеличения числа пловцов в группе. В-третьих, сама жидкокристаллическая среда помогает направлять и ориентировать движение микропловцов.
Оказалось, что тип микропловца имеет значение. Пловцы типа «толкатели» (pushers), отталкивающиеся от жидкости позади себя, выигрывают от коллективного движения. Напротив, пловцы типа «тягуны» (pullers), подтягивающие жидкость к себе спереди, начинают мешать друг другу при движении в группе. Том Мейсон также отметил специфические модели поведения, наблюдаемые в жидкокристаллической среде: зависание у стенок, осцилляции (колебания) и миграция к центру канала.
Главное потенциальное применение полученных знаний — проектирование искусственных микропловцов, то есть миниатюрных управляемых плавающих роботов. Спектр их возможного использования широк: от повышения эффективности ЭКО (IVF) и лечения паразитарных инфекций до микрофлюидики, биомедицинской инженерии, синтетических биологических систем и микроробототехники. Особое внимание уделяется целевой доставке медицинских препаратов, например, непосредственно к раковым клеткам.
Старший автор исследования, доктор Марко Мацца, видит будущее в создании инъекционных искусственных микропловцов, которыми можно будет управлять извне, направляя их через кровоток для доставки лекарств точно в цель. Том Мейсон подчеркивает, что результаты работы создают основу для управления движением на микроуровне и продвижения автономных микромасштабных технологий. По его словам, это продвигает понимание активной материи и имеет значение как для фундаментальной физики, так и для прикладных областей.
Доктор Шубхадип Мандал добавляет, что понимание влияния свойств биологических жидкостей на движение позволяет целенаправленно проектировать характеристики искусственных пловцов для лучшего контроля над ними. Соавтор исследования, почетный профессор математического образования Университета Лафборо Тони Крофт, выразил надежду, что эта работа продемонстрирует молодежи реальную значимость математики, физики и биологии и вдохновит их на научные поиски.
В планах исследовательской группы — расширение компьютерного моделирования для анализа поведения сотен микропловцов одновременно и изучение их движения в различных типах замкнутых жидких сред. Также планируется сотрудничество с экспериментаторами, изучающими реальных инфузорий и других микропловцов. Конечная цель — сравнить теоретические модели с реальным поведением, чтобы глубже понять динамику коллективного плавания и использовать эти знания для создания более совершенных искусственных микропловцов.
Основная причина ускорения заключается в том, что коллективное движение микропловцов изменяет физические свойства окружающей их жидкости. Это взаимодействие снижает сопротивление жидкости и одновременно усиливает движущую силу каждого отдельного пловца. В результате группа движется эффективнее и быстрее, чем мог бы каждый ее член поодиночке. Важно отметить, что этот эффект проявляется именно при движении в ограниченных, замкнутых средах, где группы создают особые поля течений в жидкости, способствующие повышению эффективности.
Для изучения этого явления исследователи использовали теоретические модели и компьютерное моделирование, сосредоточившись на инфузории-туфельке (Paramecium). Эти крошечные одноклеточные организмы, обитающие в воде, передвигаются с помощью ресничек (cilia), и их стиль плавания схож с движением других микропловцов, включая сперматозоиды. В симуляциях анализировалось поведение как отдельных особей, так и групп численностью до десяти микропловцов.
Моделирование проводилось в условиях ограниченной жидкокристаллической среды. Жидкие кристаллы уникальны тем, что текут подобно жидкостям, но их молекулы сохраняют упорядоченное расположение. Такие структурированные жидкости естественным образом встречаются в биологических системах, например, в клеточных мембранах и тканях. Как пояснил ведущий автор исследования доктор Шубхадип Мандал из Индийского института науки, ключевые свойства этих сложных жидкостей — анизотропия и эластичность — присутствуют в таких биологических средах, как слизь, слюна и цитоскелет клетки, и существенно влияют на движение пловцов. Том Мейсон, аспирант Университета Лафборо и со-ведущий автор, уточнил, что изучался специфический тип среды, известный как нематические микропловцы в ограниченном пространстве.
Исследование выявило несколько ключевых аспектов коллективного плавания. Во-первых, создаваемые группой поля течений действительно снижают сопротивление и улучшают пропульсию. Во-вторых, средняя скорость движения возрастает по мере увеличения числа пловцов в группе. В-третьих, сама жидкокристаллическая среда помогает направлять и ориентировать движение микропловцов.
Оказалось, что тип микропловца имеет значение. Пловцы типа «толкатели» (pushers), отталкивающиеся от жидкости позади себя, выигрывают от коллективного движения. Напротив, пловцы типа «тягуны» (pullers), подтягивающие жидкость к себе спереди, начинают мешать друг другу при движении в группе. Том Мейсон также отметил специфические модели поведения, наблюдаемые в жидкокристаллической среде: зависание у стенок, осцилляции (колебания) и миграция к центру канала.
Главное потенциальное применение полученных знаний — проектирование искусственных микропловцов, то есть миниатюрных управляемых плавающих роботов. Спектр их возможного использования широк: от повышения эффективности ЭКО (IVF) и лечения паразитарных инфекций до микрофлюидики, биомедицинской инженерии, синтетических биологических систем и микроробототехники. Особое внимание уделяется целевой доставке медицинских препаратов, например, непосредственно к раковым клеткам.
Старший автор исследования, доктор Марко Мацца, видит будущее в создании инъекционных искусственных микропловцов, которыми можно будет управлять извне, направляя их через кровоток для доставки лекарств точно в цель. Том Мейсон подчеркивает, что результаты работы создают основу для управления движением на микроуровне и продвижения автономных микромасштабных технологий. По его словам, это продвигает понимание активной материи и имеет значение как для фундаментальной физики, так и для прикладных областей.
Доктор Шубхадип Мандал добавляет, что понимание влияния свойств биологических жидкостей на движение позволяет целенаправленно проектировать характеристики искусственных пловцов для лучшего контроля над ними. Соавтор исследования, почетный профессор математического образования Университета Лафборо Тони Крофт, выразил надежду, что эта работа продемонстрирует молодежи реальную значимость математики, физики и биологии и вдохновит их на научные поиски.
В планах исследовательской группы — расширение компьютерного моделирования для анализа поведения сотен микропловцов одновременно и изучение их движения в различных типах замкнутых жидких сред. Также планируется сотрудничество с экспериментаторами, изучающими реальных инфузорий и других микропловцов. Конечная цель — сравнить теоретические модели с реальным поведением, чтобы глубже понять динамику коллективного плавания и использовать эти знания для создания более совершенных искусственных микропловцов.