05.11.2024

Eine Fernsteuerung für Mikroschwimmer

Elektrische Felder und druckgetriebene Strömung können künstliche Mikroschwimmer auf unterschiedliche Bewegungsmuster führen.

Durch Anlegen eines elektrischen Feldes kann die Bewegung von Mikroschwimmern beeinflusst werden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS), des Indian Institute of Technology (IIT) Hyderabad und der Universität Twente, Niederlande, beschreiben die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien durch den Vergleich von Experimenten und theoretischen Modellvorhersagen. Die Schwimmer können so entlang der Mittellinie, entlang der Wand oder auf eine oszillierende Bahn gebracht werden. Dadurch sind verschiedene Interaktionen mit der Umgebung möglich.


Abb.: Mit Hilfe eines elektrischen Feldes und druckgetriebener Strömung...
Abb.: Mit Hilfe eines elektrischen Feldes und druckgetriebener Strömung können Mikroschwimmer so gesteuert werden, dass sie einem definierten Weg innerhalb eines Kanals folgen.
Quelle: Maass / MPI-DS

Mikroschwimmer müssen oft autonom in engen Umgebungen wie Mikrokanälen durch poröse Medien oder Blutgefäße navigieren. Die Schwimmer können biologischen Ursprungs sein, wie Algen oder Bakterien, oder auch künstliche Strukturen, die für den Transport von Chemikalien und Medikamenten verwendet werden. In diesen Fällen ist es wichtig zu kontrollieren, wie sie in Relation zum Rand des Kanals schwimmen – denn auf der einen Seite sollen sie Treibstoff oder Informationen an den Kanalwänden austauschen, auf der anderen Seite sollen sie dort nicht ungewollt haften bleiben.

Viele Schwimmer sind elektrisch geladen, sodass elektrische Felder eine geeignete Methode sind, um sie durch komplexe Umgebungen zu leiten. Wissenschaftler des MPI-DS haben diese Idee nun in Experimenten mit selbstgetriebenen künstlichen Mikroschwimmern erforscht: „Wir haben den Einfluss einer Kombination aus elektrischen Feldern und druckgetriebener Strömung auf die Bewegungszustände künstlicher Mikroschwimmer in einem Kanal untersucht“, berichtet Corinna Maass, Gruppenleiterin am MPI-DS und Associate Professor an der Universität Twente. „Wir haben verschiedene Bewegungsarten identifiziert und die Parameter analysiert, die diese steuern“, fasst sie zusammen. 

In einer früheren Veröffentlichung haben die Forscher bereits gezeigt, dass ihre künstlichen Schwimmer bevorzugt stromaufwärts schwimmen und dabei zwischen den Kanalwänden oszillieren. Mit ihrer neuen Erkenntnis ist es nun möglich, die Bewegung der Schwimmer durch Anlegen eines elektrischen Feldes und Durchströmen des Kanals zu steuern.

Auf diese Weise erzeugten die Wissenschaftler eine Vielzahl möglicher Bewegungsmuster: Die Schwimmer können so gesteuert werden, dass sie an den Kanalwänden haften oder der Mittellinie des Kanals folgen, entweder in einer oszillierenden oder in einer geraden Bewegung. Sie sind auch in der Lage, eine Kehrtwende zu machen, wenn sie in die falsche Richtung losschwimmen. Die Wissenschaftler analysierten diese verschiedenen Zustände mithilfe eines allgemeinen hydrodynamischen Modells, das auf jeden Schwimmer mit Oberflächenladung anwendbar ist. 

Ranabir Dey, Assistant Professor am IIT Hyderabad, erklärt: „Wir zeigen, dass die Beweglichkeit geladener Schwimmer mithilfe externer elektrischer Felder weiter gesteuert werden kann. Unser Modell kann dazu beitragen, künstliche Mikroschwimmer zu verstehen und anzupassen, und Inspiration für autonome Mikroroboter und andere biotechnologische Anwendungen bieten.“

MPI-DS / DE


Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Meist gelesen

Themen