Wetenschappers ontdekken hoe microswimmers sneller bewegen in groepen, waarbij ze een manier bestraten voor kleine drugs-verstrekkende robots

Wetenschappers hebben onthuld hoe kleine zwemorganismen – zoals bacteriën – in staat zijn om sneller te bewegen wanneer ze als groep reizen – en het onderzoek kan de ontwikkeling van microscopische robots versnellen die medicijnen leveren aan specifieke regio’s van het lichaam.

Het werk, uitgevoerd door onderzoekers van Loughborough University en het Indian Institute of Science, toont aan dat wanneer “microswimmers” samen door ingesloten omgevingen bewegen, ze de eigenschappen van de vloeistof om hen heen veranderen, de weerstand verminderen en hun snelheid verhogen in vergelijking met alleen zwemmen.

De bevindingen kunnen de sleutel zijn tot het ontwerpen van kunstmatige microswimmers – tiny, controleerbare, zwemrobots – die kunnen worden gebruikt voor een verscheidenheid aan medische toepassingen, zoals IVF, parasietbehandeling en gerichte medische medicijnafgifte die traditionele, minder precieze interventies vervangt.

“Stel je voor dat we kunstmatige microswimmers zouden kunnen maken die in de bloedbaan kunnen worden geïnjecteerd en van buitenaf kunnen worden gecontroleerd. We kunnen ze navigeren naar specifieke delen van het lichaam, bijvoorbeeld kankercellen, en ze alleen medicijnen aan deze gebieden geven”, zegt Dr. Marco Mazza, de senior auteur van de studie.

“Om dit te doen, moeten we eerst begrijpen hoe natuurlijk voorkomende microswimmers door verschillende vloeistofomgevingen navigeren en onze studie heeft op dit gebied aanzienlijke vooruitgang geboekt.”

Het onderzoek, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenricht zich op een theoretisch model voor Paramecium-kleine eencellige organismen die in water leven en zich voortstuwen door haarachtige structuren te verslaan die Cilia wordt genoemd. Hun beweging is vergelijkbaar met die van sperma en andere microswimmers, die ook aanhangsels gebruiken om beweging te genereren en vloeistofomgevingen te navigeren.

Met behulp van computersimulaties en theoretische modellen analyseerden de onderzoekers hoe een individuele microswimmer en groepen van maximaal 10 door een beperkte vloeibare kristalomgeving bewegen-een uniek type vloeistof dat stroomt als een vloeistof maar moleculen op een geordende manier heeft. Deze gestructureerde vloeistoffen komen van nature voor in de natuur en biologische systemen, waaronder celmembranen en weefsels.

De belangrijkste bevindingen zijn:

• Microswimmers die in groepen bewegen, creëren stroomvelden – verhuizingen in de omringende vloeistof – die hen helpen efficiënter te zwemmen door de weerstand te verminderen en de voortstuwing te verbeteren.
• Naarmate meer zwemmers meedoen, neemt hun gemiddelde snelheid toe, waardoor ze sneller kunnen bewegen dan ze alleen konden.
• Vloeibare kristalomgevingen helpen bij het leiden en sturen van microswimmers, die hun beweging beïnvloeden.
• Er zijn twee soorten microswimmers – “pushers” en “pullers.” Pushers profiteren van collectieve beweging, terwijl trekkers elkaar belemmeren, het effect aantoont, hangt af van het type zwemmer.

De volgende stap is om het onderzoek uit te breiden, van kleinschalige simulaties te gaan naar degenen die repliceren hoe honderden microswimmers door verschillende ingesloten vloeibare omgevingen bewegen.

De wetenschappers hopen ook samen te werken met experimentele onderzoekers die werken met Paramecium en andere soorten microswimmers om real-world gedrag te vergelijken met hun theoretische modellen. Dit zal diepere inzichten bieden in collectieve zwemdynamiek, die het ontwerp van kunstmatige microswimmers kunnen informeren.

Professor Tony Croft, een van de studie -auteurs en emeritus hoogleraar wiskundeonderwijs aan de Loughborough University, hoopt dat de impact van dit onderzoek buiten het academische rijk zal worden gevoeld.

“Dit werk heeft de macht om nieuwsgierigheid in jonge geesten te ontsteken, waardoor nieuwe generaties leerlingen inspireren om het fascinerende kruispunt van wiskunde, natuurkunde en biologie te verkennen,” zei hij.

“Te vaak beschouwen studenten wiskunde als droog en irrelevant; ons werk daagt dat idee uit, onthullend zijn diepe verbindingen met de echte wereld en het potentieel ervan om opwindende nieuwe ontdekkingen te ontgrendelen.”

Hoofdauteur Dr. Shubhadeep Mandal, van het Indian Institute of Science, zei: “Dit onderzoek onderzoekt hoe belangrijke eigenschappen van complexe vloeistoffen, zoals anisotropie en elasticiteit, invloed hebben op de beweging van zwemtiteiten zoals beweeglijke cellen en synthetische microrobots. Viskeuze anisotropie en elasticiteit zijn inderdaad aanwezig in biologische omgeving zoals Mucus, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, Saliva, en de celcytoskelen. Zwemmer -eigenschappen om hun beweging in deze complexe vloeistoffen te beheersen. “

Tom Mason, een Ph.D. student at Loughborough University and one of the study’s co-lead authors, said, “Our research on nematic microswimmers in confined environments advances our understanding of active matter in complex fluids, with implications for both fundamental physics and real-world applications. By exploring the interplay between swimmer dynamics, confinement, and nematic elasticity, we provide insights into how microscale swimmers navigate structured environments—relevant naar microfluidics, biomedische engineering en soft matter -fysica.

“We have identified distinct swimmer behaviors—wall hovering, oscillation, and central migration—that offer a framework for controlling microscale motion in liquid crystalline media. These findings have potential applications in targeted drug delivery, micro-robotics, and synthetic biological systems. Through theoretical modeling and computational simulations, our work lays the foundation for advancing autonomous microscale technologies and understanding complex vloeistofstructuurinteracties. “