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Winzige Tropfen können sich wie lebende Zellen einen Weg durch unbekannte Umgebungen bahnen – und das ohne Sensoren, Computer oder externe Steuerung. Diese Erkenntnis von Forschenden unter Leitung der TU Darmstadt wurde jetzt im renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) veröffentlicht.
Mikroskopisch kleine, synthetische Tropfen können einer aktuellen Studie zufolge autonom navigieren. Dabei gelingt es den winzigen Flüssigkeitsmengen, Hindernisse aus der Ferne zu erkennen und sich zuverlässig durch komplexe Labyrinthe zu bewegen – ohne Kameras, Elektronik oder externe Steuerung. Grund ist ein Mechanismus, den das Forschungsteam unter Leitung der TU Darmstadt als „chemische Echo-Ortung” bezeichnet.
Dahinter verbirgt sich Folgendes: Anstatt etwa wie Fledermäuse in dunklen Höhlen Schallwellen auszusenden, geben die Tröpfchen während ihrer Bewegung kleine Mengen von Chemikalien an ihr Umfeld ab. Diese Chemikalien verbreiten sich in der Umgebung und werden von nahe gelegenen Wänden und Sackgassen reflektiert. Das zurückkehrende „Echo” drückt das Tröpfchen subtil von blockierten Wegen weg und in Richtung offener Wege – und leitet so seine Bewegung.
Erzeugung eigener Signale
„Die Tröpfchen folgen keiner vorprogrammierten Route und reagieren auch nicht auf ein Signal, das am Ziel platziert ist”, erklärt Dr. Aritra Mukhopadhyay, Erstautor der Studie und Postdoktorand am Institut für Physik Kondensierter Materie (IPKM) am Fachbereich Physik der TU Darmstadt. „Stattdessen erzeugen sie kontinuierlich ihre eigenen Signale und reagieren darauf, wie diese aus der Umgebung zurückkommen.”
Um den Mechanismus zu überprüfen, kombinierten die Forschenden Theorie, Computersimulationen und Laborexperimente. In Simulationen wurden chemische Tröpfchen am Eingang von labyrinthartigen Umgebungen mit vielen Sackgassen platziert. Die Tröpfchen wählten an jeder Kreuzung konsequent den richtigen Weg und erreichten effizient den Ausgang, selbst wenn das Labyrinth größer und komplexer wurde. Im Gegensatz dazu wurden herkömmliche Strategien, die sich auf das Folgen einer am Ausgang platzierten chemischen Quelle stützen, mit zunehmender Entfernung unzuverlässig, da das Leitsignal mit der Entfernung schwächer wurde.
Das Team demonstrierte dann experimentell die „chemische Echo-Ortung“ mit millimetergroßen Tröpfchen aus einfachen Polymermischungen. Als sie in mit Wasser gefüllte Labyrinthe gegeben wurden, begannen die Tröpfchen spontan, sich zu bewegen, und navigierten bemerkenswerterweise ohne externe Hinweise zum Ausgang. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigten, dass die Tröpfchen in der Nähe von Kreuzungen langsamer wurden, das chemische „Echo“ aus Sackgassen wahrnahmen und rechtzeitig davor abbogen. In wiederholten Versuchen lösten die meisten Tröpfchen das Labyrinth erfolgreich, und ihre Navigationszeit verlängerte sich nur allmählich mit zunehmender Länge des Irrgartens.
Einsatz in der Robotik denkbar
„Diese Fähigkeit, selbstständig automatisierte Navigationsentscheidungen zu treffen, veranschaulicht, wie synthetische aktive Materiesysteme Funktionalität allein durch physikalische Mechanismen erreichen können, ohne komplexe biochemische Mechanismen ihrer biologischen Gegenstücke zu benötigen”, betont TU-Professor Benno Liebchen, Letztautor der Studie, an der auch Forschende der Huazhong University of Science and Technology in China beteiligt waren.
Die Ergebnisse weisen einen neuen Weg zu autonomen mikroskopischen Systemen, die dort eingesetzt werden könnten, wo herkömmliche Robotik an ihre Grenzen stößt. Da die „chemische Echo-Ortung“ keine integrierte Elektronik, Sensoren oder Berechnungen erfordert, könnte sie grundsätzlich auf deutlich kleinere Dimensionen skaliert werden. Der Mechanismus könnte eines Tages in Umgebungen genutzt werden, in denen eine Fernsteuerung schwierig ist: zum Beispiel bei der Navigation durch enge mikrofluidische Kanäle, der Erkundung beengter Umgebungen oder der Lieferung kleiner Frachtstücke über komplexe Wege.
IPKM/mih
Prof. Dr. Benno Liebchen
Arbeitsgebiet Theorie Weicher Materie
benno.liebchen@pkm.tu-darmstadt.de
+49 6151 16-24509
Aritra K. Mukhopadhyay, Ran Niu, Linhui Fu, Kai Feng, Christopher Fujta, Qiang Zhao, Jinping Qu und Benno Liebchen: „Automated decision-making by chemical echolocation in active droplets“. In: „Proceedings of the National Academy of Sciences“, Vol. 123, Nr. 5, https://doi.org/10.1073/pnas.2526773123
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Information technology, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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