科学家们揭示了微型游泳运动员如何在群体中更快地移动，为微型药物输送机器人铺平了道路

科学家们揭示了微小的游泳生物（如细菌）在群体旅行时能够更快地移动，这项研究可以加速将药物输送到身体特定区域的微型机器人的发展

这项由拉夫堡大学和印度科学研究所的研究人员进行的研究表明，当“微型游泳者”在封闭环境中一起移动时，它们会改变周围流体的性质，与单独游泳相比，会降低阻力并提高速度

这些发现可能是设计人造微型游泳机器人的关键，微型、可控、游泳机器人可用于各种医疗应用，如体外受精、寄生虫治疗和替代传统、不太精确干预的靶向医疗药物输送

该研究的高级作者Marco Mazza博士说：“想象一下，如果我们能制造出可以注射到血液中并从外部控制的人造微型游泳器。我们可以将它们引导到身体的特定区域，例如癌症细胞，并让它们只将药物输送到这些区域。”

“要做到这一点，我们首先需要了解自然发生的微游泳生物是如何在不同的流体环境中航行的，我们的研究在这一领域取得了重大进展。”

这项发表在《物理评论快报》上的研究侧重于草履虫的理论模型，草履虫是一种生活在水中的微小单细胞生物，通过拍打称为纤毛的毛发状结构来推动自己。它们的运动类似于精子和其他微型游泳器，它们也使用附肢来产生运动和在流体环境中导航

通过计算机模拟和理论模型，研究人员分析了单个微锥和多达10个微锥的组如何在受限的液晶环境中移动——这是一种独特的流体，像液体一样流动，但分子排列有序。这些结构化流体自然存在于自然界和生物系统中，包括细胞膜和组织

主要发现是：

成群移动的微型游泳器会产生流场——周围液体的运动——通过减少阻力和增强推进力来帮助它们更有效地游泳。随着越来越多的游泳者加入，他们的平均速度也在增加，使他们能够比独自一人更快地移动。液晶环境有助于引导和引导微游泳运动员，影响他们的运动。有两种类型的微型游泳运动员——“推手”和“拉手”。推手从集体运动中受益，而拉手则相互阻碍，表明效果取决于游泳运动员的类型

下一步是扩大研究范围，从小规模模拟转向复制数百个微型游泳池如何在不同的封闭液体环境中移动的模拟

科学家们还希望与研究草履虫和其他类型的微蜘蛛的实验研究人员合作，将现实世界的行为与他们的理论模型进行比较。这将为集体游泳动力学提供更深入的见解，这可以为人工微型游泳器的设计提供信息

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研究作者之一、拉夫堡大学数学教育名誉教授托尼·克罗夫特教授希望这项研究的影响能够超越学术领域

“这项工作有能力激发年轻人的好奇心，激励新一代学习者探索数学、物理和生物学的迷人交叉点，”他说

“学生们往往认为数学枯燥且无关紧要；我们的工作挑战了这一概念，揭示了它与现实世界的深层联系，以及它解锁令人兴奋的新发现的潜力。”

印度科学研究所的主要作者Shubhadep Mandal博士说：“这项研究考察了复杂流体的关键特性，如各向异性和弹性，如何影响运动细胞和合成微型机器人等游泳实体的运动。粘性各向异性和灵活性确实存在于粘液、唾液和细胞骨架等生物环境中。这项研究展示了如何设计游泳运动员的特征来控制他们在这些复杂流体中的运动。”拉夫堡大学的学生和该研究的共同主要作者之一说：，“我们对受限环境中向列相微泳动器的研究推进了我们对复杂流体中活性物质的理解，对基础物理学和现实世界的应用都有影响。通过探索游泳动力学、限制和向列相弹性之间的相互作用，我们深入了解了微尺度游泳运动员如何在结构化环境中航行，这与微流体、生物医学工程和软物质物理学有关。

”我们确定了不同的游泳行为——壁悬停、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。这些发现在靶向药物输送、微型机器人和合成生物系统中具有潜在的应用价值。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。p