科学家们揭示了微小游泳细胞（如精子和细菌）如何在群体中移动得更快，并且这项研究可能会加速用于药物递送的微型机器人的开发。
由拉夫堡大学和印度科学研究所的研究人员进行的这项工作表明，当“微泳者”在封闭环境中一起移动时，它们会改变周围流体的性质，减少阻力并提高速度，相比单独游动时更快。
这些发现对于设计人工微泳者——即小型可控游泳机器人——至关重要。这些机器人可以用于多种医疗应用，例如体外受精、寄生虫治疗以及靶向药物递送，以替代传统的不那么精确的干预方法。
该研究的资深作者马可·马扎博士说：“想象一下，如果我们能够创造出可以注入血液并从外部控制的人工微泳者。我们可以将它们导航到身体的特定区域，例如癌细胞，并让它们只在这些区域释放药物。”
为了实现这一点，我们首先需要了解天然存在的微泳者如何在不同的流体环境中导航，而我们的研究在这方面取得了重要进展。
这项发表在《物理评论快报》上的研究，重点在于一种理论模型，该模型描述了纤毛虫——一种生活在水中的单细胞生物，通过拍打类似毛发的结构（纤毛）来推进自己。它们的运动方式类似于精子和其他微泳者，后者也使用附肢生成运动并在流体环境中导航。
利用计算机模拟和理论模型，研究人员分析了一个单独的微泳者和多达10个微泳者群体如何在受限的液晶环境中移动。这种特殊的流体像液体一样流动，但其分子排列有序。这些结构化的流体自然存在于自然界和生物系统中，包括细胞膜和组织。
主要发现包括：
- 微泳者在群体中移动时会产生流场，这有助于它们更有效地游泳，减少阻力并增强推进力。
- 随着更多微泳者的加入，它们的平均速度增加，使它们比单独游动时更快。
- 液晶环境有助于引导和定向微泳者，影响它们的运动。
- 有两种类型的微泳者——“推动者”和“拉动者”。推动者受益于集体运动，而拉动者则互相阻碍，显示这种效应取决于微泳者的类型。
下一步是扩展研究，从小规模模拟转向模拟数百个微泳者在不同封闭液态环境中的移动。
科学家们还希望与从事纤毛虫和其他类型微泳者实验研究的研究人员合作，比较现实行为与他们的理论模型。这将提供关于集体游泳动力学的更深入见解，从而为人工微泳者的设计提供信息。
该研究的共同作者之一、拉夫堡大学数学教育名誉教授托尼·克罗夫特希望这项研究的影响不仅限于学术领域。
他说：“这项工作有激发年轻学生好奇心的力量，激励新一代学习者探索数学、物理和生物学之间的迷人交叉点。”
“学生们经常认为数学枯燥无味且无关紧要；我们的工作挑战了这一观点，揭示了它与现实世界的深刻联系及其解锁新发现的潜力。”
印度科学研究所的主要作者沙布哈迪普·曼达尔表示：“这项研究探讨了复杂流体的关键特性，如各向异性和弹性，如何影响诸如运动细胞和合成微机器人等游泳实体的运动。黏性各向异性和弹性确实存在于生物环境中，如黏液、唾液和细胞骨架。研究表明，可以通过设计游泳者的特性来控制它们在这些复杂流体中的运动。”
拉夫堡大学的博士生汤姆·梅森也是该研究的共同主要作者之一，他表示：“我们在受限环境中对液晶微泳者的研究，推进了我们对复杂流体中活性物质的理解，具有基础物理学和实际应用的意义。通过探索游泳者动力学、限制和液晶弹性的相互作用，我们提供了微尺度游泳者如何在结构化环境中导航的见解——这对于微流体学、生物医学工程和软物质物理学都有重要意义。”
“我们识别出不同的游泳者行为——壁面悬停、振荡和中心迁移——为控制液晶介质中的微尺度运动提供了框架。这些发现具有在靶向药物递送、微型机器人和合成生物系统中的潜在应用。通过理论建模和计算模拟，我们的工作为推进自主微尺度技术和理解复杂的流体-结构相互作用奠定了基础。”
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