Ein Navigationssystem für Mikroschwimmer

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS), des Indian Institute of Technology (IIT) Hyderabad und der Universität Twente, Niederlande, haben herausgefunden, dass durch Anlegen eines elektrischen Feldes die Bewegung von Mikroschwimmern beeinflusst werden kann.

Mikroschwimmer müssen oft autonom in engen Umgebungen wie Mikrokanälen durch poröse Medien oder Blutgefäße navigieren. Die Schwimmer können biologischen Ursprungs sein, wie Algen oder Bakterien. Sie können aber auch künstliche Strukturen besitzen, die für den Transport von Chemikalien und Medikamenten verwendet werden. In diesen Fällen ist es wichtig, zu kontrollieren, wie sie in Relation zum Rand des Kanals schwimmen. Denn sie sollen auf der einen Seite Treibstoff oder Informationen an den Kanalwänden austauschen, auf der anderen Seite sollen sie dort nicht ungewollt haften bleiben.

Viele Schwimmer sind elektrisch geladen. Deshalb sind elektrische Felder eine geeignete Methode, um sie durch komplexe Umgebungen zu leiten. Wissenschaftler des MPI-DS haben diese Idee nun in Experimenten mit selbstgetriebenen künstlichen Mikroschwimmern erforscht: „Wir haben den Einfluss einer Kombination aus elektrischen Feldern und druckgetriebener Strömung auf die Bewegungszustände künstlicher Mikroschwimmer in einem Kanal untersucht“, berichtet Corinna Maass, Gruppenleiterin am MPI-DS und Associate Professor an der Universität Twente. „Wir haben verschiedene Bewegungsarten identifiziert und die Parameter analysiert, die diese steuern“, fasst sie zusammen. In einer früheren Veröffentlichung haben die Forscher bereits gezeigt, dass ihre künstlichen Schwimmer bevorzugt stromaufwärts schwimmen und dabei zwischen den Kanalwänden oszillieren. Mit ihrer neuen Erkenntnis ist es nun möglich, die Bewegung der Schwimmer durch Anlegen eines elektrischen Feldes und Durchströmen des Kanals zu steuern.

Auf diese Weise erzeugten die Wissenschaftler eine Vielzahl möglicher Bewegungsmuster: Die Schwimmer können so gesteuert werden, dass sie an den Kanalwänden haften oder der Mittellinie des Kanals folgen. Dabei können sie in einer oszillierenden oder auch in einer geraden Bewegung schwimmen. Sie sind auch in der Lage, eine Kehrtwende zu machen, wenn sie in die falsche Richtung losschwimmen. Die Forscher analysierten diese verschiedenen Zustände mithilfe eines allgemeinen hydrodynamischen Modells, das auf jeden Schwimmer mit Oberflächenladung anwendbar ist. Ranabir Dey, Assistant Professor am IIT Hyderabad, erklärt: „Wir zeigen, dass die Beweglichkeit geladener Schwimmer mithilfe externer elektrischer Felder weiter gesteuert werden kann. Unser Modell kann dazu beitragen, künstliche Mikroschwimmer zu verstehen und anzupassen, und Inspiration für autonome Mikroroboter und andere biotechnologische Anwendungen bieten.“