Microvehículos propulsados ​​por algas verdes nadadoras podrían ayudar a la investigación biológica y ecológica

Microvehículos propulsados ​​por algas verdes nadadoras podrían ayudar a la investigación biológica y ecológica

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Micromáquinas impulsadas por microorganismos: los microvehículos impulsados ​​por algas verdes nadadoras podrían ayudar a la investigación biológica y ambiental

Imágenes de microscopio electrónico de barrido de dos máquinas microscópicas: estas fotografías muestran un «scooter» (a la izquierda) y un «rotador» (a la derecha). Cada micromáquina fue observada en detalle y utilizó seguimiento de movimiento durante 70 segundos durante varias horas. La longitud de la barra de escala es de 10 micrones (0,01 milímetros). Crédito: pequeño (2024) DOI: 10.1002/smll.202402923

Los investigadores han creado pequeñas estructuras parecidas a vehículos que pueden ser operadas por algas microscópicas. Las algas quedan atrapadas en cestas unidas a delicadas máquinas, cuidadosamente diseñadas para darles suficiente espacio para seguir nadando.

Se crearon dos tipos de vehículos: el «rotador» con forma de rueda y el «scooter», que estaba destinado a avanzar pero que se movía de manera más sorprendente en las pruebas. El equipo planea probar diseños diferentes y complejos para sus próximos vehículos.

En el futuro, estos mini equipos de algas se podrán aplicar para ayudar en la investigación y la ingeniería ambiental a nivel micro.

«Nos inspiramos a intentar utilizar Chlamydomonas reinhardtii, un alga muy común que se encuentra en todo el mundo, después de quedar impresionados por su rápida e incontrolable capacidad de natación», dijo Naoto Shimizu, estudiante de la Escuela de Graduados en Ciencia y Tecnología de la Información. Universidad de Tokio (mientras estudiaba), inició el proyecto.

«Ahora hemos demostrado que estas algas pueden quedar atrapadas sin perjudicar su motilidad, lo que ofrece una nueva opción para propulsar micromáquinas que pueden utilizarse con fines de ingeniería o investigación».

Los hallazgos fueron publicados en la revista. pequeño.







Circulación microscópica: las algas no se ven perturbadas a velocidades de 100 micrómetros por segundo. Con cuatro algas en las trampas, el rotador se movía a una velocidad promedio de entre 20 y 40 micrómetros por segundo. Crédito: pequeño (2024) DOI: 10.1002/smll.202402923

Las micromáquinas se crean utilizando una tecnología de impresión 3D llamada estereolitografía de dos fotones. Esta impresora utiliza la luz para crear estructuras microscópicas a partir de plástico. El equipo trabajó en una escala de 1 micrómetro, que equivale a 0,001 milímetro. Según los investigadores, la parte más difícil es optimizar el diseño de la red en forma de cesta para que pueda capturar y retener eficazmente las algas mientras nadan.

Las trampas están conectadas a dos micromáquinas diferentes. El primero, llamado scooter, tiene dos trampas que contienen algas en cada una y parece un corredor de Star Wars.

El segundo, conocido como rotador, tiene cuatro redes sujetas en un total de cuatro algas y se asemeja a una noria. El tamaño y la forma de las cestas permitieron que los dos flagelos (pequeños apéndices en forma de látigo) de las algas siguieran moviéndose, impulsando la maquinaria.







Scooter microscópico: en lugar del simple movimiento unidireccional como se esperaba, el scooter realiza una impresionante serie de giros dinámicos, giros y volteretas hacia atrás de los que un atleta de deportes extremos estaría orgulloso. Crédito: pequeño (2024) DOI: 10.1002/smll.202402923

«Como esperábamos, el rotador mostró un movimiento de rotación suave. Sin embargo, el scooter nos sorprendió. Pensamos que se movería en una dirección mientras las algas miran en una dirección. En cambio, observamos un rango irregular de movimientos de balanceo y volteo», dijo explicó la autora principal, investigadora asociada del proyecto, Haruka Oda.

«Esto nos impulsó a investigar más a fondo cómo el movimiento colectivo de múltiples algas influye en el movimiento de la micromáquina».

Según los investigadores, la principal ventaja de estas micromáquinas impulsadas por diferentes organismos es que no se requiere ninguna modificación química ni de la máquina ni de las algas. No se necesitan estructuras externas para guiar las algas hacia la trampa. Esto permite una mayor libertad de movimiento de la micromáquina, además de simplificar el proceso.

Micromáquinas impulsadas por microorganismos: los microvehículos impulsados ​​por algas verdes nadadoras podrían ayudar a la investigación biológica y ambiental

Red de cesta: Estas algas tienen un tamaño de sólo 10 micrómetros. Utilizan dos flagelos en la parte delantera para moverse, similar a la braza de un nadador, lo cual es un desafío para fijar en redes sin inhibir su movimiento. El equipo experimentó con cuatro estructuras de diferentes tamaños antes de elegir esta última. Crédito: pequeño (2024) DOI: 10.1002/smll.202402923

Todavía no sabemos cuánto tiempo podrán sobrevivir y seguir funcionando estos delicados carros y sus pequeños caballos. Un individuo Chlamydomonas reinhardtii puede sobrevivir durante unos dos días y multiplicarse para producir cuatro nuevas algas. Los experimentos se llevaron a cabo durante varias horas, durante las cuales las micromáquinas conservaron su forma.

A continuación, el equipo quiere aumentar la ciclabilidad para girar más rápido y crear diseños de máquinas nuevos y más complejos. «Los métodos desarrollados aquí son útiles no sólo para visualizar los movimientos individuales de las algas, sino también para desarrollar una herramienta para analizar sus movimientos coordinados en condiciones limitadas», dijo el profesor Shoji Takeuchi del IST, quien supervisó el proyecto.

«Estos métodos tienen el potencial de evolucionar hacia una tecnología que pueda usarse para el monitoreo ambiental en ambientes acuáticos en el futuro y para el transporte de materiales utilizando microorganismos que mueven contaminantes o nutrientes en el agua».

Más información:
Haruka Oda et al., Aprovechamiento de la fuerza propulsora de microalgas con una microtrampa para impulsar micromáquinas, pequeño (2024) DOI: 10.1002/smll.202402923

Información de la revista:
pequeño

Proporcionado por la Universidad de Tokio

referencia: Los microvehículos propulsados ​​por algas verdes nadadoras podrían ayudar a la investigación biológica y ecológica (8 de julio de 2024)

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