Cuando dar un rodeo es más rápido
Nuevas estrategias de navegación para nadadores microscópicos
La navegación autónoma óptima de los micronadadores es posible, como han demostrado los investigadores del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización (MPI-DS). A diferencia de la navegación dirigida de los barcos, el movimiento de los nadadores a microescala se ve fuertemente perturbado por las fluctuaciones. Los investigadores describen ahora una estrategia de navegación para los micronadadores que no necesita un intérprete externo. Sus hallazgos pueden contribuir a la comprensión de los mecanismos de transporte en el microcosmos, así como a aplicaciones como la administración selectiva de fármacos.
Dos micronadadores adaptan su orientación para mantenerse cerca del camino iluminado y alcanzar el objetivo más rápidamente. Hacer este desvío puede ser muy beneficioso, ya que el camino recto les llevaría contra la corriente (indicado por las flechas grises)
© MPI-DS
Aunque el camino más corto entre dos puntos es una conexión recta, puede que no sea el más eficiente. Las corrientes complejas suelen afectar al movimiento de los microswimmers y dificultan que lleguen a su destino. Al mismo tiempo, aprovechar estas corrientes para navegar lo más rápido posible supone una cierta ventaja evolutiva. Mientras que estas estrategias permiten a los micronadadores biológicos acceder mejor a la comida o escapar de un depredador, los microrobots podrían dirigirse de este modo para realizar tareas específicas.
La trayectoria óptima en una corriente dada puede determinarse fácilmente de forma matemática, pero las fluctuaciones perturban el movimiento de los micronadadores y los desvían de la ruta óptima. Por ello, tienen que reajustar su movimiento para tener en cuenta los cambios del entorno. Esto suele requerir la ayuda de un intérprete externo y les resta autonomía.
"Gracias a la evolución, algunos microorganismos han desarrollado estrategias autónomas que permiten un movimiento dirigido hacia una mayor concentración de nutrientes o de luz", explica el primer autor del estudio, Lorenzo Piro. Inspirándose en esta idea, los investigadores del Departamento de Física de la Materia Viva del MPI-DS diseñaron estrategias que permiten a los micronutrientes navegar de forma óptima y casi autónoma.
La luz como guía para la navegación autónoma
Cuando un intérprete externo define el patrón de navegación, los micronadadores siguen por término medio una trayectoria bien definida. Por lo tanto, es un buen planteamiento guiar al micronadador a lo largo de esa trayectoria dentro de la corriente. Esto puede lograrse de forma autónoma mediante estímulos externos, a pesar de la presencia de fluctuaciones. Este principio podría aplicarse a los nadadores que responden a la variación de la luz, como ciertas algas, en cuyo caso se puede simplemente iluminar la trayectoria óptima. Sorprendentemente, las prestaciones resultantes son comparables a las de la navegación supervisada externamente. "Además, estas nuevas estrategias pueden aplicarse convenientemente a escenarios más complejos, como la navegación en superficies curvas o en presencia de corrientes aleatorias", concluye Ramin Golestanian, director de MPI-DS.
Las posibles aplicaciones del estudio abarcan, por tanto, desde la administración selectiva de fármacos a microescala hasta el diseño óptimo de micromáquinas autónomas.
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