The fuel economy of a microswimmer OCTOBER 12, 2023 The amount of power a microswimmer needs to move can now be determined more easily. Scientists from the department Living Matter Physics at the Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPI-DS) developed a general theorem to calculate the minimal energy required for propulsion. These insights allow a profound understanding for practical applications, such as targeted transport of molecules and substrates. One of the most important properties of a vehicle, be it a car, a plane or a ship, is its fuel consumption to cover a certain distance at a certain speed. In the microscopic world, there are small objects that can self-propel themselves in a fluid environment. These so-called microswimmers include bacteria and other microorganisms, using cilia or flagella to move, but also artificially fabricated objects. Whereas biological microbes have evolved to swim efficiently, understanding the mechanisms behind self-propulsion is required to also design efficient artificial microswimmers. A new approach to describe the movement of microswimmers  A new model allows the design of microswimmers with an efficient fuel economy. © MPI-DS / LMP Whereas many models so far treated microswimmers as if they were pulled or dragged along by an external force, the new model focuses on the energy required for self-propulsion of the microswimmer. “Many optimization problems that needed the use of computers in the past can now be solved with pen and paper”, describes Andrej Vilfan, group leader at MPI-DS. The results also can be used to determine the most efficient shape of active microswimmers. “Whereas at first glance the resulting shapes might look surprising to us, a closer look shows that they actually bear striking similarities with the shapes found in nature”, explains Vilfan. Optimizing the design of artificial microswimmers The newly proposed model elucidates the difference in entropy production between active microswimmers and externally driven particles. On the microscopic scale, entropic effects play a crucial role for particle movement. “Our results thus have impact on several research fields, such as microfluidics, biophysics and material science”, summarizes Abdallah Daddi-Moussa-Ider, first author of the study. Microswimmers have the potential to transport particles and molecules such as medical drugs in a directed manner to a target area. “A profound understanding of the principles of movement of the microswimmers thus opens many possibilities for innovation and practical applications”, Daddi-Moussa-Ider concludes.

مصرف سوخت یک میکروشناگر 12 اکتبر 2023 اکنون می توان میزان نیرویی که یک میکروشناگر برای حرکت نیاز دارد، آسان تر تعیین کرد. دانشمندان دپارتمان فیزیک ماده زنده در موسسه ماکس پلانک برای پویایی و خود سازمان دهی (MPI-DS) یک قضیه کلی برای محاسبه حداقل انرژی مورد نیاز برای نیروی محرکه ایجاد کردند. این بینش ها به درک عمیقی برای کاربردهای عملی، مانند حمل و نقل هدفمند مولکول ها و بسترها اجازه می دهد. یکی از مهم ترین ویژگی های یک وسیله نقلیه اعم از خودرو، هواپیما یا کشتی، مصرف سوخت آن برای طی کردن مسافت معین با سرعت معین است. در دنیای میکروسکوپی، اجسام کوچکی وجود دارند که می توانند خود را در یک محیط سیال حرکت دهند. این به اصطلاح ریزشناگرها شامل باکتری‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها هستند که از مژگان یا تاژک‌ها برای حرکت استفاده می‌کنند، اما از اشیاء مصنوعی نیز استفاده می‌کنند. در حالی که میکروب‌های بیولوژیکی برای شنای کارآمد تکامل یافته‌اند، درک مکانیسم‌های پشت خود رانش برای طراحی ریزشناگرهای مصنوعی نیز لازم است. رویکردی جدید برای توصیف حرکت ریزشناگران  یک مدل جدید امکان طراحی شناگرهای میکرو با مصرف سوخت کارآمد را فراهم می کند. © MPI-DS / LMP در حالی که بسیاری از مدل‌ها تا کنون با ریزشناگران به‌گونه‌ای رفتار می‌کردند که گویی توسط یک نیروی خارجی کشیده یا کشیده شده‌اند، مدل جدید بر انرژی مورد نیاز برای خود رانشی میکروشناگر تمرکز دارد. آندری ویلفان، رهبر گروه در MPI-DS، توضیح می‌دهد: «بسیاری از مشکلات بهینه‌سازی که در گذشته به استفاده از رایانه نیاز داشتند، اکنون با قلم و کاغذ قابل حل هستند. همچنین می توان از نتایج برای تعیین کارآمدترین شکل میکروشناگرهای فعال استفاده کرد. ویلفان توضیح می‌دهد: «در حالی که در نگاه اول ممکن است شکل‌های به‌دست‌آمده برای ما شگفت‌انگیز به نظر برسند، نگاه دقیق‌تر نشان می‌دهد که آنها در واقع شباهت‌های چشمگیری با اشکال موجود در طبیعت دارند». بهینه سازی طراحی میکروشناگرهای مصنوعی مدل جدید پیشنهادی تفاوت در تولید آنتروپی بین ریزشناگران فعال و ذرات رانده شده خارجی را روشن می کند. در مقیاس میکروسکوپی، اثرات آنتروپیک نقش مهمی برای حرکت ذرات ایفا می کند. عبدالله دادی موسی ایدر، نویسنده اول این مطالعه، خلاصه می‌کند: «نتایج ما بر چندین زمینه تحقیقاتی مانند میکروسیال، بیوفیزیک و علم مواد تأثیر می‌گذارد». میکروشناگرها این پتانسیل را دارند که ذرات و مولکول هایی مانند داروهای پزشکی را به صورت هدایت شده به منطقه مورد نظر منتقل کنند. Daddi-Moussa-Ider نتیجه می گیرد: "درک عمیق از اصول حرکت میکروشناگرها بنابراین فرصت های زیادی را برای نوآوری و کاربردهای عملی باز می کند."

Center for Turbulence Research​ https://ctr.stanford.edu/

Barron, Randall F. 1985. Cryogenic Systems. 2nd. New York, N.Y.: Oxford University