Les amibes sont des créatures inhabituelles qui se forment lorsqu'une population dispersée de cellules se rassemble spontanément et se réorganise en un organisme macroscopique multicellulaire. Pour faire ça, quelques cellules leader émettent des impulsions chimiques qui font que les autres cellules individuelles se déplacent dans la direction opposée à celle des impulsions de déplacement, conduisant à la formation d'amas denses.

L'observation que les cellules des amibes se déplacent à contre-courant de l'onde progressive, ce qu'on appelle le "paradoxe de l'onde diffusante, " a longtemps intrigué les chercheurs. En effet, ce mouvement diffère du comportement habituel de l'amibe lorsqu'elle cherche de la nourriture dans un environnement labyrinthique. Dans ces scénarios, les signaux chimiques sont statiques au lieu d'être pulsés, et les cellules d'amibe se déplacent vers les concentrations chimiques les plus élevées.

La capacité des cellules de l'amibe à se déplacer parfois à l'encontre d'une onde chimique progressive suggère que les cellules possèdent une sorte de mémoire. Cependant, dans une nouvelle étude, Celia Lozano et Clemens Bechinger à l'Université de Constance, Allemagne, ont démontré le même comportement dans les microparticules lorsqu'elles sont éclairées par des impulsions lumineuses de vitesses variables. Comme les microparticules sont sans mémoire, le comportement dans ce cas doit être expliqué par un mécanisme qui ne dépend pas de la mémoire.

"Malgré l'absence de cerveau, les micronageurs synthétiques sont capables d'imiter certains comportements sophistiqués d'organismes vivants, en particulier, leur réponse aux impulsions courantes est similaire (même si d'origine très différente), " Bechinger a dit Phys.org . "En vue des applications futures des micronageurs en tant que microrobots autonomes, il sera important de coordonner et de synchroniser leur comportement. Le paradoxe de l'onde diffusante peut jouer un rôle important dans ce contexte."

Bien que les simulations numériques aient prédit que les microparticules automotrices appelées particules actives sont capables de se déplacer à la fois le long et contre une impulsion de déplacement, la nouvelle étude marque la première fois que ce comportement a été démontré expérimentalement.

Dans les expériences, les chercheurs ont utilisé des particules sphériques à moitié recouvertes d'un capuchon en carbone et placées dans un liquide visqueux. Lorsqu'il est éclairé par la lumière, les particules se propulsent vers l'avant avec le capuchon en avant. Les chercheurs ont démontré que le mouvement des particules actives par rapport à une impulsion dépend de la vitesse de l'impulsion. À des vitesses d'impulsion faibles, les particules ont le temps de se réorienter, si besoin, de sorte que leurs calottes soient tournées dans le même sens que celui des impulsions de déplacement. Cette orientation garantit que les particules se déplacent dans la même direction que les impulsions.

À des vitesses d'impulsion élevées, d'autre part, les impulsions arrivent trop vite pour que les particules se réorientent avant la suivante. En effet, la vitesse de rotation des particules est limitée par le frottement du liquide visqueux. Donc, si les calottes des particules font initialement face aux impulsions venant en sens inverse, les particules se déplaceront dans le sens contraire de la direction des impulsions de déplacement, ressemblant au comportement de l'amibe dans le paradoxe des ondes diffusantes.

Cette méthode ouvre les portes à un nouveau type de stratégie de pilotage pour guider les particules actives dans deux directions possibles. Actuellement, la plupart des stratégies de pilotage dépendent de structures optiques topographiques ou statiques, qui ne permettent de contrôler que le mouvement des particules dans une seule direction.

En plus du pilotage, les chercheurs ont également démontré que la nouvelle approche pouvait être utilisée pour trier les particules actives. Par exemple, ils ont démontré que, puisque les grosses particules peuvent s'orienter plus rapidement que les plus petites, l'utilisation de vitesses d'impulsion intermédiaires permet d'orienter les grosses particules dans le sens de l'onde et les plus petites dans le sens opposé, en moyenne.

Bien que les mécanismes soient différents pour les particules actives et l'amibe, les deux systèmes présentent le comportement paradoxal de l'onde diffusante. Dans le cas des particules synthétiques, le comportement peut conduire un jour à la conception de systèmes micro-robotiques capables de réaliser des mouvements contrôlés complexes, malgré des capacités de traitement du signal limitées.

"Les applications possibles des micronageurs sont de les charger de médicaments, qui sont ensuite livrés à des endroits spécifiques, " Bechinger a dit. " En raison de leur mouvement actif dirigé, une telle administration ciblée de médicament peut être accomplie beaucoup plus efficacement par rapport à un mouvement purement diffusif. D'une manière similaire, les nageurs synthétiques peuvent également être équipés de mécanismes de détection, pour explorer des environnements liquides. Finalement, il y a des travaux en cours pour assembler des micronageurs, tels que des engrenages ou des petits moteurs, qui peuvent effectuer des travaux mécaniques à de petites échelles de longueur."

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