Роботизированный пловец проливает свет на движение микроорганизмов

Движение микроорганизмов, таких как бактерии и сперматозоиды, — это удивительное явление. Эффекты вязкости усиливаются в малых масштабах, поэтому микроорганизм, плывущий в воде, подобен человеку, пытающемуся плыть на спине в яме с гудроном. Учёные до сих пор не имеют полной картины того, как им это удаётся.

Команда из Университета Брауна разработала новый инструмент для изучения движения микроорганизмов — роботизированного пловца, имитирующего действие жгутика. Это винтообразный отросток, который используют многие микроорганизмы для передвижения. Устройство переносит это движение в макроскопический мир, что упрощает изучение гидродинамики жгутикового движения. Поскольку устройство самоходное, переконфигурируемое и управляется дистанционно, с его помощью можно проводить эксперименты, невозможные с реальными микроорганизмами.

Исследователи описали своё устройство в статье, опубликованной в журнале Review of Scientific Instruments. Полученные с его помощью данные могут быть полезны для лечения бесплодия и понимания того, как инфекции распространяются в организме.

Устройство основано на геометрии бактерии E. coli. Оно имеет цилиндрическую головку (около 6 см в длину и 2 см в диаметре), напечатанную на 3D-принтере. В водонепроницаемой головке размещены небольшой мотор, источник питания и другая электроника. Мотор приводит в действие спиралевидный хвост (около 9 см в длину), также напечатанный на 3D-принтере. Хвосты можно менять, чтобы экспериментировать с разными углами спирали и геометрией. Скорость мотора и направление вращения регулируются с пульта ДУ.

Команда провела серию контрольных экспериментов, в которых устройство плавало в смеси кукурузного сиропа и воды. Эта смесь приблизительно имитирует вязкость, которую испытывает микроскопический пловец в воде. Результаты показали, что характеристики плавания устройства соответствуют прогнозам простой модели резистивных сил — той же теории, которая часто применяется для объяснения движения его микроскопических аналогов.

После валидации устройства команда планирует различные эксперименты, чтобы пролить новый свет на спиральное плавание. В планах — детальные измерения полей течения вокруг пловцов, чтобы ответить на ключевые вопросы: что происходит с потоками, когда микроорганизм сталкивается с твёрдой стенкой, или как меняется течение, когда несколько организмов плывут вместе.