Schwimmverhalten von Mikrorobotern
Nicht alle Schwimmer bewegen sich auf gleiche Art. Auch die Art der Mikroumgebung beeinflusst Parameter wie Geschwindigkeit und Richtung. Werden Mikroroboter für den präzisen Wirkstofftransport eingesetzt, kommt es vor allem auf Steuerbarkeit an. Die "Microswimmer environments: modelling, control and tailoring" (MICROENVS) brachte Experten aus der Physik der weichen Materie und Hydrodynamik zusammen, um Modelle von Mikroschwimmern und deren Wechselwirkung mit ihrer Umgebungsdynamik zu entwickeln. Untersucht wurde das unterschiedliche Schwimmverhalten und die Wechselwirkung mit passiven Objekten wie Fäden und elastischen Abgrenzungen. Mikroroboter haben wie alle anderen Mikroorganismen eine sehr niedrige Reynolds-Zahl, wodurch sich ihr Schwimmverhalten von dem großer Schwimmer unterscheidet. MICROENVS entwickelten das hydrodynamische Modell eines Schwimmers mit niedriger Reynolds-Zahl, das Kreisbahnen beschreibt. Es kann als Vorlage für künstliche Mikroroboter dienen, die Transport- und Pumpaufgaben durchführen. Mikroben bewegen sich mit einer Vielzahl von Organellen fort, etwa Geißeln. Flagellaten und Wimperntierchen zeigen eine dipolare Bewegung und die Forscher entwickelten ein Modell zur Interaktion mit starren und elastischen Grenzen. Es gibt Aufschluss darüber, wie die Beweglichkeit der Schwimmer in begrenzten Flächen und die Bewegung der Bakterien in vivo beeinflusst werden. Die Forscher modellierten auch die Bewegung von Polymerketten unter Beschränkungsbedingungen. Das ist für die Frage von Bedeutung, wie Biopolymere die Zellwand durchdringen und auch für fortgeschrittene Techniken zur Sortierung von DNA. Zudem wurde ein Korrektursystem entwickelt, mit dem die Schwimmer nach ihrem Schwimmverhalten sortiert werden können. Ein weiteres Modell simuliert die Dynamik mehrerer Partikel in Suspension. Dazu gehören die kollektive Bewegung von Schwimmern und deren Wechselwirkung mit längeren Objekten. Im Nachgang wird das Projekt anhand des entwickelten numerischen Algorithmus die Dynamik der verschiedenen Schwimmer in Begrenzung wie auch deren Wechselwirkung mit Polymerbündeln und den Schwimmumgebungen, die die Bakterien im Körper antreffen, analysieren. Die Wechselwirkung zwischen Schwimmern und komplexen Umgebungen ist ein breites Forschungsfeld und wird Fachbereiche einbeziehen, die bislang kaum absehbar sind. Derzeit bieten sich Forschungsmöglichkeiten für die Diagnostik und den Wirkstofftransport bis hin zur Erzeugung von Biokraftstoffen aus Algen.
Schlüsselbegriffe
Mikroroboter, Mikroschwimmer, Modelle, Reynolds-Zahl, Mikroben, Wirkstofftransport, Erzeugung von Biokraftstoffen
