Когда вы перемешиваете стакан с водой, легко подумать, что любые частицы в воде окажутся в хаосе и будут двигаться совершенно беспорядочно. Но это не всегда так. Например, так называемые активные микроколебания могут самостоятельно перемещаться в потоке. Навид Мусави, аспирант Гетеборгского университета, создал модель, включающую различные гидродинамические факторы, чтобы изучить, как эти частицы справляются с турбулентностью и даже используют ее.

Микроплавающие частицы могут быть как биологическими, например планктон, так и искусственными, например наномоторы. Планктон вносит вклад в глобальные экосистемы, вырабатывая кислород, и составляет основу океанической пищевой сети.

Свободное плавание в потоке

Навид Мусави создал новые методы моделирования и изучения навигации микроплавунцов, объединив физику активной материи с принципами машинного обучения. В диссертации найдены оптимальные модели поведения планктона, позволяющие ему выжить в турбулентной среде обитания.

В модели планктон использует локальную информацию для навигации, что отражает реальные условия, с которыми сталкиваются эти маленькие пловцы. В отличие от предыдущих моделей, где навигация основывалась на глобальной информации, — говорит Навид Мусави.

Исследование также показало, что микропловцы могут использовать поток, чтобы двигаться быстрее, чем смогли бы самостоятельно, что является важным моментом как для биологических, так и для искусственных применений.

Еще одним интересным результатом исследования стало нахождение оптимального поведения, позволяющего избежать высокой турбулентной деформации. Удивительно, но оказалось, что микропловцы стремятся плыть против течения, чтобы сохранить свое положение в областях с низкой деформацией.

Такое поведение, по-видимому, имеет решающее значение для выживания и позволяет планктону избегать хищников и оставаться в зонах, богатых питательными веществами, — говорит Навид Мусави.

Важные знания для развития медицины

Все найденные стратегии эффективно работают в нескольких различных сценариях, что означает возможность их применения в реальных жизненных ситуациях.

Результаты исследования дают важные знания, которые имеют несколько применений. Например, в медицине, где они могут помочь в разработке умных микропловцов, способных доставлять лекарства непосредственно в определенные участки тела, делая лечение более эффективным. В экологическом плане эти крошечные пловцы могут помочь очистить океаны от микропластика и сделать планету более здоровой.

В будущем нам нужно будет подтвердить эту модель в экспериментах, как с природным планктоном, так и с искусственными микропловцами, — говорит Навид Мусави.

Исследователи также планируют изучить более сложные модели, учитывающие эффективность использования энергии и коллективное поведение нескольких пловцов.