Визуализация химического следа. (A) Схема экспериментальной установки для флуоресцентной микроскопии заполненного следа мицеллы. Капли CB15 диаметром капля=50 мк вводили в квази-2D микрожидкостную ячейку (высота = 50 мкм) и наблюдали с помощью либо светлопольной, либо флуоресцентной микроскопии. (B) Микрофотография флуоресценции химических следов капли с концентрацией поверхностно-активного вещества, увеличенной до 15% масс. для улучшения видимости следов (увеличение скорости растворения). (C) увеличенный вид B. (D) схематический двигатель капли. Черная стрелка показывает направление движения. (E) Поле потока, создаваемое потоком Марангони на границе раздела капель, визуализируемое штриховыми линиями коллоидов флуоресцентных трассеров размером 0,5 мкм (система отсчета капель). (F) Эволюция во времени профилей интенсивности флуоресценции (в произвольных единицах [а.е.]) вдоль AA (врезка) с наложением на гауссовые аппроксимации (концентрация поверхностно-активного вещества 5 мас.%). (G) Пиковая интенсивность в зависимости от времени.0 δ (Материалы и методы). Зеленые круги отмечают границы капель в переэкспонированных областях. (Шкала баров: 50 мкм.). Предоставлено: Труды Национальной академии наук (2022 г.). DOI: 10.1073/pnas.2122269119

Коринна Маасс, руководитель группы в MPI-DS и доцент Университета Твенте, вместе со своими коллегами исследовала навигационные стратегии микропловцов в нескольких исследованиях: как они плывут против течения в узких каналах, как они взаимно влияют на их движение, и как они все вместе начинают вращаться, чтобы двигаться.

Чтобы выжить, биологические организмы должны реагировать на окружающую среду. В то время как люди и животные обладают сложной нервной системой, чтобы ощущать свое окружение и принимать сознательные решения, одноклеточные организмы разработали другие стратегии. В биологии мелкие организмы, такие как паразиты и бактерии, например, перемещаются по узким каналам , таким как кровеносные сосуды. Часто они делают это регулярным, колебательным образом, основанным на гидродинамических взаимодействиях с ограничивающей стенкой канала.

«В наших экспериментах мы смогли подтвердить теоретическую модель, описывающую специфическую динамику микропловца в зависимости от его размера и взаимодействия со стенкой канала», — говорит главный исследователь Коринна Маасс. Эти регулярные схемы движения также могут быть использованы для разработки механизмов адресной доставки лекарств, даже для перевозки грузов против течения , как также указывалось в предыдущем исследовании.

След отработанного топлива

В другом исследовании исследователи изучали, как движущиеся микропловцы взаимно влияют друг на друга. В их экспериментальной модели маленькие капельки масла в мыльном растворе движутся автономно, отталкиваясь от небольшого количества масла, создающего движение. Подобно тому, как самолет оставляет инверсионные следы, микропловцы оставляют следы использованного топлива, которые могут отталкивать других. Таким образом, микропловцы могут определить, был ли другой пловец в том же месте незадолго до этого.

«Интересно, что это приводит к самоизбегающему движению отдельных микропловцов, в то время как их совокупность приводит к тому, что капли оказываются запертыми между следами друг друга», — говорит Бабак Вайди Хокмабад, первый автор исследования. Отталкивание второй капли от траектории ранее пролетевшей зависит от угла ее подхода и времени, прошедшего после первого пловца. Эти экспериментальные данные также подтверждают теоретическую работу в этой области, ранее проведенную Рамином Голестаняном, управляющим директором MPI-DS.

Коллективное движение через сотрудничество

Наконец, группа также исследовала коллективное гидродинамическое поведение нескольких микропловцов. Они обнаружили, что несколько капель могут образовывать скопления, которые спонтанно начинают плавать, как корабли на воздушной подушке, или подниматься и вращаться, как микроскопические вертолеты. Вращение кластера основано на совместной связи между отдельными каплями, что приводит к скоординированному поведению, хотя отдельные капли сами по себе не составляют такого движения. Таким образом, эти устройства представляют собой еще один физический принцип того, как микропловцы могут ориентироваться в своем пути, не используя мозг или мышцы.