有一种游泳不用大脑和肌肉

细菌和其他单细胞生物发展出复杂的方式来主动导航，尽管它们的结构相对简单。为了揭示这些机制，研究人员使用油滴作为生物微游泳者的模型。生物学家在几项研究中调查了微型游泳者的导航策略:它们如何在狭窄的水道中逆流而行，它们如何相互影响运动，以及它们如何集体开始旋转以移动。

　　

为了生存，生物有机体必须对环境做出反应。人类或动物拥有复杂的神经系统来感知周围环境并做出有意识的决定，而单细胞生物则发展出了不同的策略。在生物学中，像寄生虫和细菌这样的小生物通过血管这样的狭窄通道航行。它们经常以一种规则的、基于与水道围壁的水动力相互作用的振荡方式这样做。“在我们的实验中，我们可以确认理论模型，该模型描述了微游泳者的具体动力学，基于其大小和与通道壁的相互作用”，该研究的首席研究员Corinna Maass评论道。这些规律的运动模式也可以用来开发靶向药物输送的机制，甚至像以前的研究中指出的那样逆着水流运输货物。

一串用过的燃料

在另一项研究中，研究人员调查了微游泳者是如何相互影响的。在他们的实验模型中，肥皂溶液中的小油滴通过喷出少量的油来产生推动力，从而自主移动。就像飞机会留下尾迹一样，这些微游泳者会产生一种用过的燃料的痕迹，这种痕迹可以击退其他微游泳者。这样，微型游泳者就能检测到不久前是否有另一个游泳者去过同一个地方。该研究的第一作者Babak Vajdi Hokmabad报告说:“有趣的是，这导致了单个微游泳者的自我回避运动，而它们的集合导致水滴被困在彼此的轨迹之间。”第二个水滴在先前经过的水滴的轨迹上的斥力取决于它接近的角度和在第一个游泳者之后经过的时间。这些实验结果也证实了该领域的理论工作，此前由MPI-DS的董事总经理Ramin Golestanian进行。这项研究是在马克斯普朗克复杂流体动力学中心进行的，该中心是一个由MPI- ds、MPI聚合物研究和特温特大学组成的联合研究中心。

通过合作进行集体运动

最后，研究小组还研究了多种微游泳者的集体水动力行为。他们发现，多个液滴可以形成集群，自发地开始像气垫船一样漂浮，或像微型直升机一样上升和旋转。集群的旋转是基于单个液滴之间的合作耦合，这导致了协调的行为——尽管单个液滴本身不包含这样的运动。因此，这些排列代表了微游泳者如何在不使用大脑或肌肉的情况下导航的另一个物理原理。

Journal References:

1. Babak Vajdi Hokmabad, Jaime Agudo-Canalejo, Suropriya Saha, Ramin Golestanian, Corinna C. Maass. Chemotactic self-caging in active emulsions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (24) DOI: 10.1073/pnas.2122269119

2. Ranabir Dey, Carola M. Buness, Babak Vajdi Hokmabad, Chenyu Jin, Corinna C. Maass. Oscillatory rheotaxis of artificial swimmers in microchannels. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-30611-1

3. Babak Vajdi Hokmabad, Akinori Nishide, Prashanth Ramesh, Carsten Krüger, Corinna C. Maass. Spontaneously rotating clusters of active droplets. Soft Matter, 2022; 18 (14): 2731 DOI: 10.1039/D1SM01795K