Manchmal ist der Umweg der schnellere Weg

Eine ideale autonome Navigation von Mikro­schwimmern ist möglich, wie Forscher des MPI für Dynamik und Selbst­organi­sation zeigen. Im Gegensatz zur zielge­richteten Navigation wie beispiels­weise bei Schiffen ist die Bewegung von Schwimmern auf der Mikroskala stark durch Fluktu­a­tionen gestört. Die Wissen­schaftler haben jetzt eine Navigations­strategie für Mikro­schwimmer entwickelt, die ohne permanente Inter­vention von außen auskommt. Ihre Erkenntnisse können zum Verständnis von Trans­port­mechanismen im Mikrokosmos beitragen oder auch bei Anwendungen wie der punkt­genauen Abgabe von Medi­ka­menten zum Einsatz kommen.

Der kürzeste Weg zwischen zwei Punkten ist eine gerade Verbindung. Das ist in einer Strömung aber nicht unbedingt gelich­zeitig der effi­zi­en­teste Weg, um eine Strecke zurück­zu­legen. Komplexe Strömungen beein­trächtigen oft die Bewegung von Mikro­schwimmern und erschweren es ihnen, ihr Ziel zu erreichen. Gleich­zeitig ist es für diese ein evolu­tio­närer Vorteil, die Strömungen zu nutzen, um so schnell wie möglich ans Ziel zu gelangen. Während derartige Strategien es biologischen Mikro­schwimmern ermöglichen, besser an Nahrung zu gelangen oder einem Fressfeind zu entkommen, könnten auch Mikro­roboter auf diese Weise auf ziel­ge­richtete Aufgaben programmiert werden.

Der optimale Weg in einer gegebenen Strömung lässt sich zwar mathematisch leicht bestimmen, jedoch stören Fluktu­a­tionen die Bewegung der Mikro­schwimmer und bringen sie von ihrer optimalen Route ab. Daher müssen sie ihre Bewegung anpassen, um den Verände­rungen der Umgebung Rechnung zu tragen. Das erfordert in der Regel die Hilfe eines externen Signal­gebers und beraubt die Mikro­schwimmer so ihrer Selbst­ständig­keit.

„Evolutionär haben einige Mikro­organismen autonome Strategien entwickelt, die eine gezielte Bewegung in Richtung einer größeren Nährstoff- oder Licht­konzen­tration ermög­lichen“, erklärt Lorenzo Piro vom MPI-DS. Inspiriert von dieser Idee haben die Wissen­schaftler der Abteilung Physik lebender Materie am MPI-DS Strategien entwickelt, die es den Mikro­schwimmern ermöglichen effizient und nahezu autonom zu navigieren.

Wenn ein externer Signalgeber das Navigations­muster vorgibt, folgen Mikro­schwimmer im Durch­schnitts­muster einem klar definierten Pfad. Es ist also sinnvoll, den Mikro­schwimmer in der Strömung entlang dieses Pfades zu führen. Das kann trotz der Fluktu­a­tionen durch externe Stimuli erreicht werden. Dieses Prinzip kann beispiels­weise auf Schwimmer angewandt werden, die auf Licht­schwan­kungen reagieren, wie bestimmte Algen, deren optimaler Weg einfach beleuchtet werden kann. Bemerkens­werter­weise sind die resul­tie­renden Ergebnisse mit der von extern kontrol­lierten Navigation vergleichbar. „Diese neuen Strategien lassen sich auch auf komplexere Szenarien anwenden, wie etwa die Navigation auf gekrümmten Oberflächen oder bei zufälligen Strömungen“, betont Ramin Golestanian, Direktor vom MPI-DS. Mögliche Anwendungen der Studie reichen somit von der gezielten Medi­ka­menten­abgabe im Mikro­maßstab bis hin zum optimalen Design von autonomen Mikro­maschinen.

MPI-DS / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Piro, B. Mahault & R. Golestanian: Optimal navigation of microswimmers in complex and noisy environments, New J. Phys. 24, 093037 (2022); DOI: 10.1088/1367-2630/ac9079
• Physik lebender Materie (R. Golestanian), Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen