Физики поиграли с роботами и поняли движения микробов и внутриклеточную механику

Исследователи из Института физики Амстердамского университета соединили маленькие самодвижущиеся игрушки в цепочку и нашли ключ к понимаю двигательной активности микроскопических организмов и молекулярных двигателей внутри наших клеток. Результаты исследования опубликовали в журнале Physical Review Letters («Заметки о физическом обозрении»).


Микроботов Hexbug Nano v2 можно купить в обычных онлайн-магазинах. Игрушки используют вибрации для продвижения вперёд. Если соединить несколько миниатюрных роботов цепочкой из резины, то получится эластоактивная структура. Это означает, что после деформации микроботы вернутся к своей первоначальной форме, а самодвижущиеся активные компоненты, из которых они состоят, будут стремиться подтолкнуть конструкцию в определённом направлении.

Движения зависят от размера звеньев цепей и от того, были ли цепи закреплены за один или оба конца. Эластоактивные цепи демонстрировали различные типы движения, включая автоколебательные, самосинхронизирующиеся и самозамыкающиеся.


— Корентин Куле, руководитель Лаборатории машинных материалов Амстердамского университета.

Учёный добавил, что механические автоколебания и синхронизация являются ключевой особенностью биологических машин. А ещё такие функции полезны для создания новых типов автономных роботов. Активные экспериментальные цепочки позволяют исследователям понять природу нелинейных явлений, то есть отклоняющихся от прямо пропорциональной зависимости.

В общем, учёные выделили три типа двигательной активности. Когда конструкция совершает автоколебания, это означает, что она изгибается вперёд-назад сама по себе. В цепочках микроботы могут начать с того, что согнут цепь влево. Однако, поскольку цепь закреплена за один конец, эластичные звенья сопротивляются этому движению. И переориентируют ботов таким образом, что те начинают толкать и сгибать цепь вправо. Этому движению снова будет сопротивляться эластичная цепь, пока боты снова не начнут двигаться влево.

Синхронизация происходит, когда две эластичные активные цепи соединяются на одном конце достаточно жёстким стержнем. Извиваясь, две соединённые цепочки автоматически начинают колебаться с одинаковой частотой, подобно морской траве, которой повелевают одни и те же волны.

Наконец, взяв одну эластичную цепь и закрепив оба её конца, физики наблюдали поведение «саморазрыва». Для сравнения: если сгибать игральную карту пальцами, можно заставить её «расхлопнуться» в другую сторону, надавив сбоку. Эластичные цепи делают это сами по себе, многократно переключаясь с изгиба влево на изгиб вправо.

Корентин Куле добавил, что физики начали исследование, просто поиграв с микроботами. Но в более общем плане идея заключалась в том, чтобы исследовать материалы, находящиеся в неравновесном состоянии. В мягкой материи активные жидкости были широко изучены за последние 25 лет, но их твёрдые аналоги исследовались гораздо меньше.

Также физики изучают эластоактивное поведение в меньших масштабах, например, в так называемых коллоидных системах из мелких частиц, взвешенных в жидкости. Такие системы ближе к биологии из-за схожих размеров.