Амеба – это необычные существа, которые образуются, когда рассеянная популяция клеток самопроизвольно собирается вместе и превращается в многоклеточный макроскопический организм. Для этого несколько клеток-лидеров испускают химические импульсы, которые заставляют другие отдельные клетки двигаться в направлении, противоположном направлению бегущих импульсов, что приводит к образованию плотных кластеров.
Наблюдение за тем, что клетки амебы движутся против бегущей волны, которая называется «парадокс рассеивающей волны», долгое время озадачивало исследователей. Это потому, что это движение отличается от обычного поведения амебы при поиске пищи в лабиринтной среде. В этих сценариях химические сигналы являются статическими, а не импульсными, и клетки амебы движутся к более высоким химическим концентрациям.
Способность клеток амебы иногда двигаться в противоположность бегущей химической волне предполагает, что клетки обладают некоторой памятью. Однако в новом исследовании Селия Лозано и Клеменс Бехингер из Университета Констанц, Германия, продемонстрировали то же поведение в микрочастицах при освещении импульсами света с различной скоростью. Поскольку микрочастицы не имеют памяти, поведение в этом случае должно объясняться механизмом, который не зависит от памяти.
«Несмотря на отсутствие мозга, синтетические микросвиттеры способны имитировать некоторые изощренные поведения живых организмов, в частности, их реакция на бегущие импульсы схожа, хотя и имеет очень разное происхождение», – сказал Бехингер. «Учитывая будущее применение микросвиммеров в качестве автономных микророботов, важно координировать и синхронизировать их поведение. Парадокс рассеивающих волн может сыграть важную роль в этом контексте».
Хотя численное моделирование предсказало, что самоходные микрочастицы, называемые активными частицами, способны двигаться как вдоль, так и против бегущего импульса, новое исследование отмечает впервые, когда это поведение было продемонстрировано экспериментально.
В экспериментах исследователи использовали сферические частицы, которые наполовину покрыты угольным колпачком и помещены в вязкую жидкость. При освещении светом частицы движутся вперед с крышкой впереди. Исследователи показали, что движение активных частиц относительно импульса зависит от скорости импульса. На низких скоростях импульса частицы имеют достаточно времени для переориентации, если необходимо, чтобы их колпачки были направлены в том же направлении, что и бегущие импульсы. Эта ориентация гарантирует, что частицы движутся в том же направлении, что и импульсы.
С другой стороны, при высоких скоростях импульсы приходят слишком быстро, чтобы частицы переориентировались до следующего. Это связано с тем, что скорость вращения частиц ограничена трением вязкой жидкости. Таким образом, если колпачки частиц первоначально обращены к встречным импульсам, частицы будут двигаться против направления бегущих импульсов, напоминая поведение амебы в парадоксе рассеивающей волны.
Этот метод открывает двери для новой стратегии рулевого управления для направления активных частиц в двух возможных направлениях. В настоящее время большинство стратегий управления зависит от топографических или статических оптических структур, которые позволяют контролировать движение частиц только в одном направлении.
В дополнение к управлению, исследователи также продемонстрировали, что новый подход можно использовать для сортировки активных частиц. В качестве примера они продемонстрировали, что, поскольку крупные частицы могут ориентироваться быстрее, чем более мелкие, использование промежуточных скоростей импульса позволяет направлять крупные частицы в направлении волны, а более мелкие частицы – в противоположном направлении, в среднем.
Хотя механизмы для активных частиц и амебы различны, обе системы демонстрируют поведение парадокса диффузной волны. В случае синтетических частиц такое поведение может однажды привести к созданию микро-робототехнических систем, которые могут достигать сложных управляемых движений, несмотря на ограниченные возможности обработки сигналов.
«Возможное применение микросвиммеров заключается в том, чтобы загружать их лекарствами, которые затем доставляются в определенные места», – сказал Бехингер. «Благодаря направленному активному движению такая целенаправленная доставка лекарств может быть достигнута гораздо более эффективно по сравнению с чисто диффузным движением. Аналогичным образом синтетические пловцы также могут быть оснащены сенсорными механизмами для исследования жидкой среды. Наконец, продолжается работа собирать микросвитры, такие как шестерни или небольшие двигатели, которые могут выполнять механическую работу на малых весах».
