Микропловец

Микропловец – микроскопический объект , обладающий способностью двигаться в жидкой среде. Естественные микропловцы встречаются повсюду в мире природы в виде биологических микроорганизмов , таких как бактерии , археи , простейшие , сперматозоиды и микроживотные . С начала нового тысячелетия возрос интерес к производству синтетических и биогибридных микропловцов . Хотя с момента их появления прошло всего два десятилетия, они уже показали себя перспективными для различных биомедицинских и экологических применений.

Учитывая недавний характер этой области, в литературе до сих пор нет единого мнения по номенклатуре микроскопических объектов, которые в этой статье называются «микропловцами». Среди множества альтернативных названий, даваемых таким объектам в литературе, наиболее часто встречаются микропловцы, микро/нанороботы и микро/наномоторы. Другие общие термины могут быть более описательными, включая информацию о форме объекта, например, микротрубка или микроспираль, его компонентах, например, биогибрид, спермбот, бактериобот, или микробио-робот, или поведение, например, микроракета, микропуля, микроинструмент или микрокаток. Исследователи также дали имена своим конкретным микропловцам, например, медиботам, боты для волос, iMushbots, ЖЕЛЕЗЫСперма, чайники, биоботы, Т-будботы, или МОФБОТЫ.

Предыстория

В 1828 году британский биолог Роберт Браун обнаружил непрерывное покачивающееся движение пыльцы в воде и описал свое открытие в своей статье «Краткий отчет о микроскопических наблюдениях…». что привело к расширенной научной дискуссии о происхождении этого движения. Эта загадка была решена только в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свое знаменитое эссе « О движении частиц, взвешенных в покоящихся жидкостях», требуемое молекулярно-кинетической теорией тепла . Эйнштейн не только обнаружил диффузию взвешенных частиц в покоящихся жидкостях, но и предположил, что эти результаты можно использовать для определения размера частиц — в каком-то смысле он был первым в мире микрореологом .

С тех пор, как Ньютон разработал свои уравнения движения, загадка движения на микромасштабе часто всплывала в истории науки, что хорошо продемонстрировано в нескольких статьях, которые следует кратко обсудить. Во-первых, основная концепция, популяризированная Осборном Рейнольдсом , заключается в том, что относительная важность инерции и вязкости для движения жидкости зависит от определенных деталей рассматриваемой системы. Число Рейнольдса Re , названное в его честь, количественно определяет это сравнение как безразмерное соотношение характерных инерционных и вязких сил:

Э. М. Перселл

Плавательный гребешок Перселла
«Быстро или медленно, он точно повторяет свою траекторию и возвращается туда, откуда начал».

$\mathrm {Re} ={\frac {\rho ul}{\mu }}$

Здесь ρ представляет плотность жидкости; u — характерная скорость системы (например, скорость плывущей частицы); l — характерный масштаб длины (например, размер пловца); μ — вязкость жидкости. Принимая в качестве суспендирующей жидкости воду и используя экспериментально наблюдаемые значения u , можно определить, что инерция важна для макроскопических пловцов, таких как рыбы ( Re = 100), в то время как вязкость доминирует в движении микромасштабных пловцов, таких как бактерии ( Re = 10) . ⁻⁴ ).

Огромное значение вязкости для плавания в микрометровом масштабе имеет глубокие последствия для стратегии плавания. Об этом замечательно говорил Э. М. Перселл , приглашавший читателя в мир микроорганизмов и теоретически изучавший условия их движения. Во-первых, стратегии движения крупных пловцов часто включают в себя передачу импульса окружающей жидкости в периодических дискретных событиях , таких как образование вихрей между этими событиями , и движение по инерции . Это не может быть эффективно для микронных пловцов, таких как бактерии: из-за большого вязкостного демпфирования время инерционного движения объекта микронного размера составляет порядка 1 мкс. Расстояние движения микроорганизма, движущегося с типичной скоростью, составляет около 0,1 ангстрема (Å). Перселл пришел к выводу, что только силы, действующие в настоящий момент на микромасштабное тело, способствуют его движению, поэтому необходим метод постоянного преобразования энергии.

Микроорганизмы оптимизировали свой метаболизм для непрерывного производства энергии, в то время как чисто искусственные микроплаватели (микророботы) должны получать энергию из окружающей среды, поскольку их бортовая емкость очень ограничена. Как дальнейшее следствие непрерывного рассеивания энергии, биологические и искусственные микропловцы не подчиняются законам равновесной статистической физики и должны описываться неравновесной динамикой. С математической точки зрения Перселл исследовал последствия низкого числа Рейнольдса, взяв уравнение Навье-Стокса и исключив инерционные члены:

${\begin{aligned}\mu \nabla ^{2}\mathbf {u} -{\boldsymbol {\nabla }}p&={\boldsymbol {0}}\\\end{aligned}}$

где $\mathbf {u}$ - скорость жидкости и ${\boldsymbol {\nabla }}p$ это градиент давления . Как заметил Перселл, полученное уравнение — уравнение Стокса — не содержит явной зависимости от времени. Это имеет некоторые важные последствия для того, как подвешенное тело (например, бактерия) может плавать посредством периодических механических движений или деформаций (например, жгутика ) . Во-первых, скорость движения практически не имеет значения для движения микропловец и окружающей жидкости: изменение скорости движения изменит масштаб скоростей жидкости и микропловец, но не изменит структуру жидкости. поток. Во-вторых, изменение направления механического движения просто изменит все скорости в системе. Эти свойства уравнения Стокса сильно ограничивают диапазон возможных стратегий плавания.

В качестве конкретной иллюстрации рассмотрим математический гребешок , состоящий из двух жестких частей, соединенных шарниром. Может ли «гребешок» плавать, периодически открывая и закрывая шарнир? Нет: независимо от того, как цикл открытия и закрытия зависит от времени, гребешок всегда вернется в исходную точку в конце цикла. Отсюда возникла поразительная цитата: «Быстро или медленно, он точно повторяет свою траекторию и возвращается туда, откуда начал». В свете этой теоремы о гребешках Перселл разработал подходы к тому, как можно создать искусственное движение на микромасштабе. Эта статья продолжает вдохновлять постоянные научные дискуссии; например, недавняя работа группы Фишера из Института интеллектуальных систем Макса Планка экспериментально подтвердила, что принцип гребешка справедлив только для ньютоновских жидкостей .

Физика

У микромасштабных пловцов преобладает сопротивление, и они не могут полагаться на зависимость движения от времени, теорема Гребешка }, которая требует, чтобы у них было более одной степени свободы }

Выводы для параллельных и нормальных составляющих сопротивления для простых геометрий в ползущем потоке можно найти в литературе. и записанные носители, В частности сферы:

$F_{sphere}=6\pi \mu ur$

и сфероиды с большой и малой осями a, b :

$F_{parallel}=6\pi \left({\frac {4+a/b}{5}}\right)$

$F_{perpendicular}=6\pi \left({\frac {3+2a/b}{5}}\right)$

Из-за линейного характера основных уравнений жидкости принцип суперпозиции можно использовать для моделирования более сложных геометрических форм, таких как штопоры, согласно анализу Перселла и других. Здесь мы представляем сопротивление и крутящий момент винтовой катушки.

${\begin{bmatrix}F\\T\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}a&b\\b&c\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}u\\\omega \end{bmatrix}}$

$a=2\pi n\sigma \left({\frac {\xi _{\parallel }\cos ^{2}(\theta )+\xi _{\perp }\sin ^{2}(\theta )}{\sin(\theta )}}\right)$

$b=2\pi n\sigma ^{2}(\xi _{\parallel }-\xi _{\perp })\cos(\alpha )$

$c=2\pi n\sigma ^{3}\left({\frac {\xi _{\parallel }\sin ^{2}(\theta )+\xi _{\perp }\cos ^{2}(\theta )}{\sin(\theta )}}\right)$

$\xi _{\parallel }={\frac {2\pi \mu }{\ln \left({\frac {0.36\pi \sigma }{r\sin(\theta )}}\right)}},\xi _{\perp }={\frac {4\pi \mu }{\ln \left({\frac {0.36\pi \sigma }{r\sin(\theta )+0.5}}\right)}}$

Где $\theta =\arctan({\frac {2\pi \sigma }{\lambda }})$. Важно отметить, что хотя теорема Скаллопа требует более одной степени свободы, внешнее воздействие (например, магнитное) допускает движение простого штопора.

Типы

Различные типы микропловцов питаются и приводятся в действие по-разному. Стратегии плавания для индивидуальных микропловцов а также стаи микропловцов были исследованы на протяжении многих лет. Обычно микропловцы полагаются либо на внешние источники питания, как в случае с магнитными, оптика, или акустический контроль, или использовать топливо, доступное в окружающей среде, как в случае с биогибридными или каталитическими микропловцами. Магнитное и акустическое приведение в действие обычно совместимо с манипуляциями с микропловцами in vivo , а каталитические микропловцы могут быть специально спроектированы для использования in vivo топлива . Использование оптических сил в биологических жидкостях или in vivo является более сложной задачей, но, тем не менее, были продемонстрированы интересные примеры.

Часто исследователи предпочитают черпать вдохновение у природы либо для всей конструкции микропловец, либо для достижения желаемого типа движения. Например, один из первых биоинспирированных микропловцов состоял из эритроцитов человека , модифицированных искусственным компонентом, похожим на жгутик , состоящим из нитей магнитных частиц, связанных взаимодействиями биотин - стрептавидин . Совсем недавно биомиметическое плавание, вдохновленное червеобразными чертами бегущей волны, передвижение креветок, и бактериальное беговое движение , было продемонстрировано с использованием фигурного света.

Другой подход, вдохновленный природой, — использование биогибридных микропловцов . Они состоят из живого компонента и синтетического. Биогибриды чаще всего используют преимущества микромасштабного движения различных биологических систем, а также могут использовать другое поведение, характеризующее живой компонент. Для магнитных биоинспирированных и биогибридных микропловцов типичными модельными организмами являются бактерии, сперматозоиды и магнитотаксические клетки. Помимо использования магнитных сил, активация биоинспирированных микропловцов была также продемонстрирована с использованием, например, акустического возбуждения. или оптические силы. Еще одно природное поведение, связанное с оптическими силами, — это фототаксис , который может использоваться, например, микроорганизмами, переносящими грузы. синтетические микропловцы или биогибридные микропловцы. Ряд недавних обзорных статей посвящен объяснению или сравнению существующих стратегий движения и управления, используемых при активации микропловца. Магнитное срабатывание чаще всего включается для контролируемого управления in vivo , даже для микропловцов, которые полагаются на другой тип движения. В 2020 году Колеосо и др. рассмотрел использование магнитных небольших роботов для биомедицинских применений и предоставил подробную информацию о различных магнитных полях и системах срабатывания, разработанных для таких целей.

Стратегии изготовления микропловцов включают двухфотонную полимеризацию, 3D-печать , фотолитографию , электроосаждение с помощью шаблона или соединение живого компонента с неодушевленным с использованием различных стратегий. В более поздних подходах используется 4D-печать , то есть 3D-печать материалов, реагирующих на раздражители. Часто требуется дополнительная функционализация либо для обеспечения определенного типа срабатывания, например металлического покрытия для магнитного управления или термоплазмонных реакций, либо как часть приложения, если требуются определенные характеристики, например, для зондирования, транспортировки груза, контролируемого взаимодействия с окружающей среды или биоразложения .

Микропловцов также можно разделить на категории по методам движения. и используются два основных метода: самодвижение и движение внешнего поля. При самостоятельном движении робот покрывается химическим топливом, которое вступает в реакцию с жидкой средой, создавая пузырьки, которые приводят робота в движение. Движение внешнего поля предлагает больше разнообразия, используя оптические, магнитные, акустические или электрические поля. Внешнее поле лучше подходит для биологических применений, поскольку ему не потребуется химическое топливо, выделяющее загрязняющие вещества, которые могут быть вредными для хозяина, которого обслуживают микропловцы, включая пленки и химические вещества, которые могут быть биосовместимыми. Этот метод движения также обеспечивает более высокое пространственное разрешение и большую управляемость, а последние достижения позволяют осуществлять трехмерное движение, повышая гибкость и функциональность микропловцов.

микропловцы

Дополнительная информация: Подвижность бактерий и передвижение протистов.

Изменение скорости и числа Рейнольдса в зависимости от длины пловца

Естественные микропловцы
Рисунок водоросли Chlamydomonas Reinhardtii в совместной культуре с Escherichia coli . бактериями

Подвижные системы развивались в естественном мире с течением времени и в масштабах длины, охватывающих несколько порядков, и развивались анатомически и физиологически для достижения оптимальных стратегий самодвижения и преодоления последствий сил высокой вязкости и броуновского движения , как показано на диаграмме. справа.

Некоторые из наименьших известных естественных подвижных систем представляют собой моторные белки , т. е. белки и белковые комплексы, присутствующие в клетках и выполняющие разнообразные физиологические функции путем преобразования химической энергии в механическую . Эти моторные белки классифицируются как миозины , кинезины или динеины . Миозиновые моторы отвечают за мышечные сокращения и транспортировку грузов, используя актиновые нити в качестве дорожек. динеиновые моторы С другой стороны, и кинезиновые моторы используют микротрубочки для транспортировки везикул через клетку. Механизм, который эти белковые моторы используют для преобразования химической энергии в движение, зависит от гидролиза АТФ , который приводит к модификации конформации глобулярного моторного домена, что приводит к направленному движению.

Помимо моторных белков, ферменты, традиционно признаваемые своими каталитическими функциями в биохимических процессах, могут функционировать как наномашины, преобразующие химическую энергию в механическое действие на молекулярном уровне. Диффузия различных ферментов (например, уреазы и каталазы), измеряемая с помощью флуоресцентной коррелированной спектроскопии (FCS), увеличивается в зависимости от субстрата. Более того, когда ферменты связаны с мембраной, их каталитическое действие может стимулировать движение липидных пузырьков. Например, липидные везикулы, интегрированные с такими ферментами, как трансмембранная аденозин-5'-трифосфатаза, мембраносвязанная кислая фосфатаза или уреаза, демонстрируют повышенную подвижность, коррелирующую со скоростью ферментативного обмена.

Бактерии можно условно разделить на две принципиально разные группы: грамположительные и грамотрицательные бактерии , различающиеся архитектурой клеточной оболочки. В каждом случае клеточная оболочка представляет собой сложную многослойную структуру, защищающую клетку от окружающей среды. У грамположительных бактерий цитоплазматическая мембрана окружена только толстой клеточной стенкой из пептидогликана . Напротив, оболочка грамотрицательных бактерий более сложна и состоит (изнутри наружу) из цитоплазматической мембраны, тонкого слоя пептидогликана и дополнительной внешней мембраны, также называемой липополисахаридным слоем. Другие структуры поверхности бактериальных клеток варьируются от дезорганизованных слоев слизи до высокоструктурированных капсул . Они состоят из секретируемых слизистых или липких полисахаридов или белков, которые обеспечивают защиту клеток и находятся в прямом контакте с окружающей средой. У них есть и другие функции, в том числе крепление к твердым поверхностям. Дополнительно на поверхности могут присутствовать белковые придатки: бахромки и пили могут иметь разную длину и диаметр, а их функции включают адгезию и подергивающуюся подвижность .

В частности, для микроорганизмов, живущих в водной среде, передвижение относится к плаванию, и, следовательно, мир полон различных классов плавающих микроорганизмов, таких как бактерии, сперматозоиды , простейшие и водоросли . Бактерии перемещаются благодаря вращению волосообразных нитей, называемых жгутиками , которые прикреплены к белковому моторному комплексу на клеточной стенке бактерий.

Следующая таблица основана на данных Schwarz et al. , 2017, перечисляет некоторые примеры естественных или биологических микропловцов.

Подвижные микроорганизмы

	Имя	Изображение	Размер (мкм 2 )а	Скорость (мкм/с)b	Механизм движения	Естественная среда обитания для купания	Источники
бактериальный пловцы (прокариоты)	кишечная палочка		0.5 × 2	30	Перитрихозные пучки	Кишечная флора
	Серратия марцеценс		1 × 2	50	Перитрихозные пучки	Дыхательные и мочевыводящие пути (паразитарные)
	Сальмонелла тифимуриум		0.5 × 2	30	Перитрихозные пучки	Кишечник (паразитарный)
	Бацилла субтилис		1 × 3	20	Перитрихозные пучки	Кишечная флора
	Алиивибрио фишери		1 × 2	50	Лофотриховые жгутики	Слизь (симбиотическая)
	Вибрион альгинолитический		2 × 3	40	Монотриховый жгутик	Кровь (паразитарная)
	Листерия моноцитогенная		0.5 × 1.5	<1	Перитрихозные или амфитрихальные пучки	Меж- и внутриклеточные (паразитарные)
	Магнитококк морской		2 × 2	200	Два лофотриховых пучка	Морская вода
	Магнетоспириллы грифисвальденские		0.5 × 2	60	Два амфитриховых жгутика	Пресноводные отложения
	Микоплазма мобильная		0.5 × 0.5	5	Скольжение через выступы	Рыбьи жабры (паразитические)
протист пловцы (одноклеточный) эукариоты)	Хламидомонада		10 × 10	150	Два лофотриховых жгутика	Пресная вода, почва
	Тетрахимена		25 × 50	>500	Голотриховые реснички	Пресноводный
	Трипаносома		3 × 20	30	Монотриховый жгутик	Кровь (паразитарная)
сперма клетки	Человек		3 × 5	50	Монотриховый жгутик	Половые пути
	бычий		5 × 10	100	Монотриховый жгутик	Половые пути
	Мышиный		3 × 8	120	Монотриховый жгутик	Половые пути

микропловцы

«Искусственный микропловец — это передовая технология, имеющая инженерное и медицинское применение. Естественный микропловец, такой как бактерии и сперматозоиды, также играет важную роль в широком спектре инженерных, медицинских и биологических явлений. Из-за небольшого размера микропловец , инерционное воздействие окружающего поля потока может быть незначительным. В таком случае обратная деформация тела не может вызвать миграцию пловца, что известно как теорема гребешка . Чтобы преодолеть последствия теоремы гребешка, микропловец должен пройти через это. невзаимная деформация тела для достижения миграции, таким образом, стратегия плавания полностью отличается от стратегии пловцов макромасштаба...».

Под световыми полями частицы Януса из полистирола и золота заставляют плавать и вращаться поочередно, следуя заранее заданному пути.

Одной из текущих инженерных задач является создание миниатюрных функциональных транспортных средств, способных выполнять сложные задачи в небольших масштабах, которые в противном случае были бы непрактичны, неэффективны или совершенно невозможны с помощью обычных средств. Эти транспортные средства называются нано/микромоторами или нано/микророботами, и их следует отличать от еще более мелких молекулярных машин для энергетики, вычислений или других приложений, с одной стороны, и статических микроэлектромеханических систем (МЭМС) – с другой стороны этой шкалы размеров. Вместо того, чтобы быть электронными устройствами на чипе, микромоторы способны свободно перемещаться в жидкой среде, управляясь или направляясь извне или за счет собственной конструкции, что может быть достигнуто с помощью различных механизмов, наиболее важными из которых являются каталитические реакции . магнитные поля , или ультразвуковые волны .

В настоящее время ученые стремятся к созданию множества приложений для обнаружения, приведения в действие или доставки, причем одним из наиболее ярких примеров является местное нацеливание лекарств для лечения рака. Для подобных применений микромотор должен иметь возможность свободно перемещаться, т. е. плавать, в трех измерениях, эффективно управляясь и направляясь надежным механизмом.

является прямым следствием небольшого размера микропловцов Низкое число Рейнольдса . Это означает, что в физике плавания микропловцов преобладают силы вязкого сопротивления — проблема, которая широко обсуждается физиками в этой области. Этот вид плавания бросил вызов инженерам, поскольку в повседневной жизни он обычно не встречается, но, тем не менее, его можно наблюдать в природе для подвижных микроорганизмов, таких как сперматозоиды или некоторые бактерии. Естественно, эти микроорганизмы с самого начала послужили вдохновением для создания искусственных микромоторов, поскольку они смогли решить задачи, с которыми приходится сталкиваться активному, самодостаточному аппарату-микропловец. С помощью биомиметических подходов исследователи смогли имитировать , основанную на жгутиках стратегию движения сперматозоидов и бактерий Escherichia coli , воспроизводя соответствующую форму их жгутика и приводя его в действие магнитными полями.

Синтетические микропловцы имеют самую разнообразную форму в зависимости от целей, для которых они используются. Как и в случае с естественными микропловцами, движение микропловец и управление им связаны с затратами энергии. В природе наблюдается, что бактерии микронного размера расходуют очень мало энергии, тогда как более крупные микроорганизмы затрачивают больше энергии. . Этот принцип можно перенести на синтетических микропловец, где исследователями была изучена связь между размером и формой микропловец и затрачиваемой энергией. . Пиро и др. утверждают, что игольчатые микропловцы более энергоэффективны, чем другие формы, в то время как дискообразные микропловцы переносятся градиентами потока в жидкости и естественным образом предрасположены следовать по оптимальной по времени траектории. . Спиральные микропловцы также вызвали интерес как геометрическая форма для микропловцов, поскольку они были вдохновлены микроструктурами многих различных типов растений, которые служат сосудами для воды.

На микроуровне смачиваемость поверхности является важным фактором при выборе материала, поскольку она влияет на передвижение микропловец. Гидрофобные поверхности создают большой угол контакта с жидкостью, что приводит к уменьшению момента сопротивления трения на тело микропловец, что приводит к более низкой частоте шага, необходимой для движения.

Микроорганизмы адаптировали свое передвижение к суровым условиям режима низких чисел Рейнольдса, применяя различные стратегии плавания. Например, кишечная палочка движется, вращая свой спиральный жгутик. Жгутики хламидомонады двигаются брассом. Африканская трипаносома имеет спиральный жгутик, прикрепленный к телу клетки, через который проходит плоская волна. Плавание таких естественных пловцов исследовалось на протяжении последних полувека. В результате этих исследований были также предложены искусственные пловцы, такие как лист Тейлора, Двухшарнирный пловец Перселла, пловец трехсвязных сфер, упругий двухсферный пловец и трехсферный с пассивным упругим рычагом, которые еще больше улучшили понимание пловцов с низким числом Рейнольдса. Одна из проблем при предложении искусственного пловца заключается в том, что предлагаемый ход движения не должен быть взаимным, иначе он не сможет двигаться сам по себе из-за теоремы Гребешка. В теореме Гребешка Перселл утверждал, что пловец с одним шарниром или одной степенью свободы вынужден совершать возвратно-поступательные движения и, следовательно, не сможет плавать в режиме Стокса.

Перселл предложил два возможных способа уклониться от теоремы Гребешка: один из них - движение «штопора». а другой - «гибкое» движение весла. Используя концепцию гибкого весла, Дрейфус и др. описали микропловец, который использует упругие свойства тонкой нити, состоящей из парамагнитных шариков. Чтобы нарушить симметрию инверсии времени, к гибкому рычагу была прикреплена пассивная головка. Пассивная голова снижает скорость гибкого пловца. Чем больше голова, тем выше сила сопротивления, испытываемая пловцом. Голова необходима для плавания, поскольку без нее хвост совершает возвратно-поступательное движение, и скорость пловца снижается до нуля.

В исследовании Хуанга и др. Микропловцов помещали в раствор сахарозы, чтобы представить вязкость, подобную крови, и проверяли различных микропловцов и их способность двигаться в жидкости, используя варианты штопора и методы гибкого весла под разными углами выравнивания с внешним магнитным полем. Из-за несоосности гибкое весло и корпус штопора совершали винтовое движение. В этом тесте самым быстрым методом движения оказался микропловец с трубчатым телом и гибким плоским хвостом, поскольку он использовал винтовое и штопорное движение, генерируемое под углом 30-градусного отклонения от внешнего магнитного поля. Микропловец, полагавшийся на движение штопором, имел пониженную скорость из-за увеличения сопротивления, испытываемого микропловецом из-за раскачивающегося движения тела. Однако, когда тело микропловец перпендикулярно внешнему магнитному полю, подвижность микропловец с гибким веслом уменьшалась из-за отсутствия спирального движения тела, в то время как эффект раскачивания на микропловец-штопор был уменьшен, поэтому он мог достичь лучшего движения.

На штопор и гибкое движение весла синтетического микропловец во многом влияет вязкость жидкости. Увеличение вязкости уменьшает движение микропловец при использовании любого метода, однако уменьшение движения при более высокой вязкости больше у микропловцов, использующих гибкую двигательную систему с веслами. Это происходит из-за уменьшения спирального движения тела микропловец, что приводит к увеличению сопротивления, испытываемого телом. Еще один наблюдаемый эффект - уменьшение изгиба хвоста, что снижает способность микропловец преодолевать симметрию обращения времени.

Другой способ, с помощью которого микропловцы могут двигаться вперед, — это каталитические реакции. Черпая вдохновение у Уайтсайдса, который использовал разложение перекиси водорода (H ₂ O ₂ ) для перемещения объектов размером см/мм по поверхности воды, Сен и др. (2004) изготовили каталитические двигатели микрометрового диапазона. Эти микропловцы представляли собой стержнеобразные частицы диаметром 370 нм и состояли из сегментов Pt и Au длиной 1 мкм. Они двигались вперед за счет разложения перекиси водорода в растворе, которое катализировалось на воду и кислород. Стержни Pt/Au смогли стабильно развивать скорость до 8 мкм/с в растворе 3,3% перекиси водорода. При разложении перекиси водорода со стороны Pt образуются кислород, два протона и два электрона. Два протона и электрона направятся к Au, где они будут использованы для реакции с другой молекулой перекиси водорода с образованием двух молекул воды. Движения двух протонов и двух электронов через стержень тянут жидкость к стороне Au, таким образом, этот поток жидкости будет толкать стержень в противоположном направлении. Этот механизм самоэлектрофореза обеспечивает движение этих палочек. Дальнейший анализ палочек Pt/Au показал, что они способны осуществлять хемотаксис в направлении более высоких концентраций перекиси водорода. перевозить грузы, и демонстрировал управляемое движение во внешнем магнитном поле при добавлении внутренних сегментов Ni.

Интерес был проявлен к использованию высокочастотных звуковых волн для навигации микропловец, поскольку Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США признало их безопасными для клинических исследований, что позволит использовать их в биомедицинских целях. . Микроплаватель имеет гидрофобную поверхность, изготовленную из смолы, и небольшие полости, в которых при погружении в жидкость образуются пузырьки воздуха. Когда к микропловец воздействуют высокочастотные звуковые волны, пузырь создает колебания и создает достаточное движение, чтобы двигать микропловец в контролируемом направлении. 

Дополнительный метод, с помощью которого могут путешествовать микропловцы, — это реакция на разницу температур. Хуанг и др. разработал микропловец, чтобы изучить управление формой 3D-микропловец. Микропловец содержит жесткий, нерасширяющийся поли(этиленгликоль)диакрилат (PEGDA) в сочетании со слоем гидрогеля N-изопропилакриламида (NIPAAm), который термочувствителен. Внутри слоя гидрогеля находятся магнитные наночастицы, которые могут управлять осями сгиба. За счет выравнивания магнитных частиц вдоль осей складывания изменение температуры может привести к активному управлению формой микропловца для движения в жидкости. Другим примером термического контроля является использование гидрогеля pNIPAM-AAc, содержащего оксид железа, которым можно управлять с помощью магнитного поля. . Благодаря сочетанию магнитных полей и материалов, чувствительных к температуре, можно достичь динамического контроля.

Для микропловцов было продемонстрировано движение без внешних сил. Вдохновленные жуками-микровелиями, которые способны скользить по воде на высоких скоростях, микропловцам предлагается воспользоваться эффектом Марангони, который представляет собой перенос массы через градиент поверхностного натяжения жидкости. Чой и др. продемонстрировали, что микропловцы с фотопаттерном без какой-либо механической системы привода или внешней силы способны перемещать жидкость через источник топлива из поливинилового спирта (ПВС), который вызывает поверхностное натяжение воды после ее растворения.

Реагирование на раздражители

Симметричная самотермофоретическая активная частица  
масштабная линейка имеет длину 1 мкм

Реконфигурируемым синтетическим или искусственным микропловцам нужна внутренняя обратная связь. Самодвижущиеся микрочастицы часто предлагаются в качестве синтетических моделей биологических микропловцов, однако им не хватает внутренне регулируемой адаптации, как у их биологических аналогов. И наоборот, адаптация может быть закодирована в более крупных мягких робототехнических устройствах, но ее трудно перенести в коллоидный масштаб.

Повсеместное распространение и успех подвижных бактерий тесно связаны с их способностью автономно адаптироваться к различным средам, поскольку они могут реконфигурировать свою форму, метаболизм и подвижность с помощью внутренних механизмов обратной связи. Создание искусственных микропловцов со схожими адаптационными возможностями и автономным поведением может существенно повлиять на технологии, начиная от оптимального транспорта и заканчивая зондированием и микроробототехникой. Сосредоточив внимание на адаптации, существующие подходы на коллоидном уровне в основном полагаются на внешнюю обратную связь, либо для регулирования подвижности посредством пространственно-временной модуляции скорости и направления движения. или вызывать изменения формы с помощью тех же магнитных или электрических полей, которые также приводят в движение частицы. Напротив, наделить искусственных микропловцов внутренним механизмом обратной связи, который регулирует моторику в ответ на стимулы, отделенные от источника движения, остается труднодостижимой задачей.

Многообещающим путем достижения этой цели является использование связи между формой частиц и их подвижностью. Эффективное переключение между различными состояниями движения может быть достигнуто, например, за счет спонтанной агрегации нарушающих симметрию активных кластеров различной геометрии. хотя этот процесс не имеет желаемого детерминированного контроля. И наоборот, создание коллоидных кластеров фиксированной формы и состава обеспечивает точный контроль подвижности. но без адаптации. Несмотря на достигнутый прогресс в создании реконфигурируемых роботов субмиллиметрового масштаба, масштабирование этих концепций до коллоидного уровня требует альтернативного производства и дизайна. Коллоидные кластеры, меняющие форму, реконфигурируются по заранее определенному пути в ответ на локальные стимулы. будет сочетать в себе обе характеристики с высоким потенциалом для создания адаптивных искусственных микропловцов.

микропловцы

Основная статья: Биогибридный микропловец

Виды бактериальных биогибридных микропловцов

Разработка бактериальных биогибридных микропловцов  
захват, доставка, зондирование и выпуск

Так называемый биогибридный микропловец можно определить как микропловец, состоящий как из биологических, так и из искусственных частей, например, одного или нескольких живых микроорганизмов, прикрепленных к одной или различным синтетическим частям. Биогибридный подход напрямую использует живые микроорганизмы в качестве основного компонента или модифицированной основы функционального микропловец. Первоначально микроорганизмы использовались в качестве двигательных единиц искусственных устройств, но в последние годы эта роль была расширена и модифицирована в сторону других функций, использующих биологические возможности этих организмов с учетом их способов взаимодействия с другими клетками и живым веществом, в частности для приложения внутри человеческого тела, такие как доставка лекарств или оплодотворение.

Явным преимуществом микроорганизмов является то, что они естественным образом объединяют подвижность и различные биологические функции в удобном миниатюрном корпусе в сочетании с возможностями автономного восприятия и принятия решений. Они способны адаптироваться и процветать в сложных условиях in vivo , а также способны к самовосстановлению и самосборке при взаимодействии с окружающей средой. В этом смысле самодостаточные микроорганизмы естественным образом функционируют очень похоже на то, что мы представляем для искусственно созданных микророботов: они собирают химическую энергию из окружающей среды для питания молекулярных моторных белков, которые служат приводами, они используют ионные каналы и сети микротрубочек , действуя как внутриклеточные связи. , они полагаются на РНК или ДНК в качестве памяти для алгоритмов управления и содержат множество различных мембранных белков для восприятия и оценки своего окружения. Все эти способности действуют вместе, позволяя микробам процветать и достигать своих целей и функций. В принципе, эти способности также квалифицируют их как биологических микророботов для новых операций, таких как тераностика , сочетание диагностики и терапии, если мы можем навязать такие функции искусственно, например, путем функционализации с помощью терапии. Кроме того, искусственные расширения могут использоваться в качестве ручек для внешних механизмов контроля и надзора или для повышения производительности микроба, чтобы направлять и адаптировать его функции для конкретных применений.

Фактически, биогибридный подход можно представить дуалистическим образом в отношении трех основных компонентов микроробота in vivo: подвижности, контроля и функциональности. Рисунок 1 иллюстрирует, как эти три ингредиента могут быть реализованы либо биологически, т.е. с помощью микроорганизма, либо искусственно, т.е. с помощью синтетического компонента. Например, гибридный биомикромотор на основе сперматозоида может приводиться в движение жгутиком спермия или прикрепленным к нему искусственным спиральным жгутиком. Он может ориентироваться автономно посредством биологических взаимодействий с окружающей средой и другими клетками или управляться и контролироваться извне с помощью искусственных датчиков и исполнительных механизмов. Наконец, он может выполнять биологическую функцию, например, присущую ему способность оплодотворять яйцеклетку, или искусственно навязанную функцию, например, доставку синтетических лекарств или векторов ДНК. Бигибридное устройство может использовать любую возможную комбинацию таких биологических и искусственных компонентов для выполнения конкретного применения.

Еще одним примером биогибридного подхода является создание микропловец, предназначенного для изучения стимуляции скелетных мышц. Микропловец изготовлен из наночастиц оксида железа, покрытых микроводорослями хлореллы, что позволяет использовать микроробота в различных биологических средах, сохраняя при этом высокую степень контроля благодаря суперпарамагнитным наночастицам. . Управляемый внешним магнитным полем микропловец способен достичь своей цели. Микропловец можно безопасно облучать лазером ближнего инфракрасного диапазона (NIR), вызывающим нагрев наночастиц за счет фототермического эффекта и вызывающим целенаправленное сокращение скелетных мышц. Этот метод демонстрирует безопасный и контролируемый метод передвижения в биологической среде.

Навигация

Гидродинамика может определить оптимальный маршрут плавания микропловец. По сравнению с хорошо изученной проблемой управления макроскопическим агентом, например самолетом или лунным кораблем, для оптимального достижения цели, оптимальные навигационные стратегии для микропловцов, испытывающих гидродинамическое взаимодействие со стенами и препятствиями, изучены гораздо меньше. Кроме того, гидродинамические взаимодействия в взвесях микропловцов вызывают сложное поведение. Поиск того, как ориентироваться или управлять, чтобы оптимально достичь цели, важен, например, для самолетов, чтобы сэкономить топливо при сложных ветрах на пути к удаленному пункту назначения, или для координации движения частей космического пространства. агент по безопасной посадке на Луну. Эти классические задачи хорошо изучены и обычно решаются с использованием теории оптимального управления . Аналогично, стратегии навигации и поиска часто встречаются во множестве биологических систем, включая добычу пищи животными, или Т-клеток, ищущих мишени для запуска иммунного ответа.

Растет интерес к задачам оптимальной навигации и стратегиям поиска. микропловцов и «сухие» активные броуновские частицы , Общую проблему, касающуюся оптимальной траектории микропловец, который может свободно управлять, но не может контролировать свою скорость к заранее определенной цели (навигация «точка-точка»), можно назвать «задачой оптимальной навигации микропловец». Характерные различия между задачей оптимальной навигации микропловеца и обычными задачами оптимального управления для макроагентов, таких как самолеты, круизные лайнеры или лунные корабли, коренятся в присутствии растворителя с низким числом Рейнольдса только в первой задаче. Они включают в себя (i) сверхзатухающую динамику, (ii) тепловые колебания и (iii) дальнодействующие гидродинамические взаимодействия, опосредованные жидкостью, с границами раздела, стенками и препятствиями, все из которых характерны для микропловцов. В частности, неконсервативные гидродинамические силы, с которыми сталкиваются микропловцы, требуют особой стратегии навигации, чем консервативные гравитационные силы, действующие, например, на космические аппараты. Недавняя работа исследовала проблемы оптимальной навигации сухих активных частиц (и частиц во внешних полях потока), учитывающих (i) и частично также (ii). В частности, недавние исследования впервые стали использовать обучение с подкреплением. например, определение оптимальных стратегий управления активными частицами для оптимального перемещения к целевой позиции. или использовать внешние поля потока, чтобы не попасть в ловушку определенных структур потока, изучая интеллектуальную гравитацию . Глубокое обучение с подкреплением использовалось для изучения проблем навигации микропловец в лабиринтах и ​​массивах препятствий. предполагая глобальный или только местный знание окружающей среды. Аналитические подходы к оптимальной навигации активных частиц дополняют эти работы и позволяют тестировать результаты машинного обучения.

Примером успешного использования машинного обучения в навигации являются Zou et al. где он был вдохновлен микроорганизмами, обладающими способностью естественным образом переключаться между двигательными движениями, такими как бег и кувыркание или перекатывание и подбрасывание, в зависимости от необходимости ориентироваться в окружающей среде. . Система искусственного интеллекта позволила разработать четкую походку для рулевого управления, перехода и поступательного движения.

Приложения

Как и в случае с микротехнологиями и нанотехнологиями в целом, история применения микропловцов, возможно, начинается со Ричарда Фейнмана знаменитой лекции «На дне много места» . В своей дальновидной речи, среди других тем, Фейнман обратился к идее микроскопических хирургов, сказав: «...в хирургии было бы интересно, если бы вы могли проглотить хирурга. Вы помещаете механического хирурга внутрь кровеносного сосуда, и он попадает в сердце и «осматривается» (конечно, информация должна быть передана) Он выясняет, какой клапан неисправен, берет маленький нож и разрезает его. Другие маленькие машины могут быть постоянно встроены в тело, чтобы. помочь какому-то неадекватно функционирующему органу». Концепция хирурга, которого можно проглотить, вскоре была представлена ​​в научно-фантастическом фильме «Фантастическое путешествие» и в Айзека Азимова . произведениях

Магнитотактические бактерии , такие как Magnetococcus marinus , как потенциальные носители лекарств, способные проникать в опухоль.

Всего несколько десятилетий спустя микропловцы, стремящиеся стать настоящими микрохирургами, превратились из интригующей научно-фантастической концепции в реальность, изучаемую во многих исследовательских лабораториях по всему миру, как уже подчеркивал Метин Ситти в 2009 году. Эти активные агенты, способные самостоятельно двигаться в среде с низким числом Рейнольдса , могут сыграть ключевую роль в будущем наномедицины , как это популяризировал в 2016 году Юваль Ноа Харари в книге «Homo Deus: Краткая история завтрашнего дня» . В частности, они могут оказаться полезными для адресной доставки генов. или наркотики и другие грузы к определенной цели (например, раковой клетке) через наши кровеносные сосуды, что требует от них найти хороший или в идеале оптимальный путь к цели, избегая, например, препятствий и неудачных областей поля потока.

Уже в 2010 г. Нельсон и др. рассмотрел существующие и предполагаемые применения микророботов в малоинвазивной медицине . С тех пор эта область расширилась, и стало ясно, что микропловцы имеют большой потенциал для биомедицинских применений. Уже сейчас многие интересные задачи можно выполнять in vitro с использованием специально разработанных микропловцов. Тем не менее, по состоянию на 2020 год необходимо решить ряд проблем, касающихся контроля in vivo , биосовместимости и долгосрочной биобезопасности, прежде чем микропловцы смогут стать жизнеспособным вариантом для многих клинических применений.

Схематическое изображение классификации биомедицинских применений показано на диаграмме слева ниже. Это включает использование микропловцов для перевозки грузов при доставке лекарств и других биомедицинских применениях, а также для вспомогательного оплодотворения, зондирования, микроманипуляций и визуализации. Некоторые из более сложных микропловцов подходят к нескольким категориям, поскольку они применяются одновременно, например, для зондирования и доставки лекарств.

Биомедицинское применение микропловцов

Что необходимо для работы микропловец
с медицинскими интервенционными возможностями

Проектирование автономной микроскопической мобильной машины или микроробота для функционирования in vivo с возможностями медицинского вмешательства должно предполагать комплексный подход, включающий в себя проектирование трехмерной формы тела, состава материала, технологии производства, стратегии развертывания, методов приведения в действие и управления, модальности визуализации, преодоления биологических барьеров. и выполнение предписанных медицинских задач необходимо учитывать в целом, как показано на диаграмме справа выше. Каждый из этих существенных аспектов содержит особые конструктивные соображения, которые должны быть отражены в физической конструкции микроробота.

Доставка терапевтических агентов в точные места в глубоких тканях остается серьезной проблемой, поскольку магнитное воздействие становится менее эффективным по мере того, как плотность магнитного потока ослабевает по мере удаления от платформы электромагнитного управления. Биогибридные микропловцы продемонстрировали многообещающие возможности доставки лекарств, способные точно доставлять лекарства к опухолям рака глубоких тканей, и одним из таких примеров являются магнитостатические бактерии. Магнитостатические бактерии (МТБ) были открыты в 1970-х годах, и с тех пор их механизм и динамика тщательно изучаются. Микроаэрофильная альфапротеобактерия Magnetospirillum gryphiswaldense является одной из наиболее хорошо изученных магнитостатических бактерий и содержит значительное количество магнетита Fe3O4, который действует как внутренний компас, направляя бактерии с помощью окружающего магнитного поля. Недавнее исследование Мирхани Н. и др. продемонстрировали доставку лекарств с использованием магнитостатических бактерий (MTB), контролируемых вращающимися магнитными полями (RMF), на модели опухоли мыши. RMF концентрирует плотность магнитного крутящего момента в определенных областях, индуцируя магнитостатическое поле выбора с помощью точки или линии, свободной от поля. Экспериментальная проверка с использованием модели опухоли мыши подтвердила эффективность контроля RMF в повышении скорости трансляции и проникновения MTB в глубокие ткани. Эта стратегия имеет потенциал для системной доставки лекарств с повышенной пространственной селективностью.

Другое предлагаемое применение предназначено для микропловцов, чтобы помочь улучшить защиту окружающей среды за счет уменьшения количества отходов и загрязняющих веществ в различных частях окружающей среды. Некоторые примеры загрязнителей, которые можно уменьшить или удалить с поля, включают микропластик, химикаты на нефтяной основе и другие отходы. Для этой цели в исследовательских лабораториях разрабатываются самые разнообразные микропловцы с использованием различных вариантов приводных систем, использующих различную мультифизику, включая световые, магнитные и химические градиенты. . Одним из примеров является удаление бисфенола А (БФА), который является распространенным отходом заводов, производящих продукцию на основе пластмасс. Одним из примеров является микропловец, разработанный Декановским и др. с использованием микропловца на основе мксена, управляемого светом. Двигательная установка состоит из двух компонентов: компонент мксена с привитыми наночастицами и слой оксида железа. Компоненты двигательной системы вступают в химическую реакцию с BPA, в результате которой образуются пузырьки кислорода, которые могут продвигать микропловец вперед. . В настоящее время проводятся исследования по созданию синтетических микропловцов, способных вступать в реакцию с другими химическими отходами и уменьшать загрязнение окружающей среды. Многие из нынешних синтетических микропловцов разрабатываются для использования мультифизической двигательной системы с магнитной силой, а также системы на химической или оптической основе.

См. также

• Биоинспирация
• Биологическая робототехника
• Биоинженерия
• Серая слизь
• Роботизированная сперма
• Мягкая робототехника
• Сквирмер