La colaboración y la competencia son instintos básicos entre las especies biológicas, desde los organismos unicelulares más simples hasta los reptiles, peces y primates, así como los humanos. Este comportamiento dinámico, el resultado de millones de años de evolución, es difícil de replicarSin embargo, los ingenieros químicos de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh han recreado estas respuestas en un entorno de partículas microscópicas, láminas y catalizadores, imitando efectivamente las respuestas de alimentación, lucha y huida.
Su investigación, "Colaboración y finalización entre hojas activas para partículas autopropulsadas", se publicó esta semana en Actas de la Academia Nacional de Ciencias . El investigador principal es Anna C. Balazs, presidente de John A. Swanson y profesor distinguido de Ingeniería Química y del Petróleo en la Escuela Swanson. El autor principal es Abhrajit Laskar y el coautor es Oleg E. Shklyaev, ambos posdoctorales.asociados
Como anticipo de este trabajo, el Dr. Balazs et al utilizaron modelos computacionales para diseñar láminas químicamente activas que pudieron envolver, aletear y arrastrarse en una microcámara llena de líquido, aprovechando el potencial para crear flexible o "blando"robots para entornos fluídicos. Para el artículo PNAS, los investigadores diseñaron sistemas fluídicos que dan forma a las láminas recubiertas de catalizador en una forma que se asemeja a un cangrejo con cuatro "garras", creando el depredador que puede "cazar" químicamente su presa de partículas.
"A medida que desarrollemos dispositivos robóticos y dispositivos inteligentes futuros, es importante comprender los límites para imitar las funciones biológicas en máquinas fabricadas por el hombre. También es fundamental comprender si los sistemas artificiales pueden colaborar o competir por los recursos", explicó el Dr. Balazs."Si podemos replicar esta interdependencia, podemos ayudar a establecer las bases para que los robots u otros dispositivos trabajen juntos hacia un objetivo común".
Para afectar este comportamiento, Balazs y sus asociados utilizaron el catalizador en las láminas para convertir los reactivos en productos dentro de una microcámara. Esta reacción crea variaciones en la composición química y la densidad del fluido, que transforman las láminas bidimensionales en "cangrejos" 3De impulsar tanto los cangrejos como las partículas en el fluido. A medida que los cangrejos generan gradientes químicos en un área, las partículas responden intentando "huir" de esta área, formando un sistema altamente interdependiente.
Esta interdependencia también impactó el medio ambiente cuando se agregó un segundo cangrejo al fluido; una vez que se introdujo el reactivo, los dos cangrejos imitaron la cooperación para "compartir" las partículas. Sin embargo, si se introdujera un cangrejo más grande, competiría con elformas más pequeñas para capturar todas las partículas por sí mismo.
"En algunos casos, el cangrejo grande no puede atrapar las partículas pequeñas, pero cuando agregamos más cangrejos, parecen colaborar como una manada de lobos", explica el Dr. Shklyaev. "Del mismo modo, cuando un depredador aún más grande entra en elmicrocámara, el "hambre" que genera con un área de superficie catalítica más grande dominará el comportamiento de las hojas depredadoras más pequeñas ".
El Dr. Laskar dice que la simplicidad de este sistema es que la única programación involucrada es la introducción del reactivo químico en el sistema.
"Una vez que agregamos un reactivo en la microcámara, todos los comportamientos biomiméticos ocurrieron espontáneamente", dijo. "Entonces podemos adaptar el grado en que las partículas responden a los gradientes químicos, porque diferentes partículas responderán de diferentes maneras.la propiedad de incluso un tipo de objeto altera la interdependencia de todo el sistema "
Según el Dr. Balazs, los nuevos hallazgos indican la capacidad de controlar la actividad dentro de la microcámara en el espacio y el tiempo, lo que permite que las hojas respondan a diferentes comandos solo cambiando los reactivos agregados a la solución.
"Nuestros cálculos revelan la capacidad de dirigir objetos microscópicos para realizar funciones específicas, como transportar células o construir estructuras complejas", dijo. "Estas reglas de diseño tienen el potencial de diversificar la funcionalidad de los dispositivos microfluídicos, lo que les permite lograr un rendimiento significativotareas más complejas "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pittsburgh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :