Когда вы перемешиваете стакан с водой, легко подумать, что любые частицы в жидкости окажутся в хаосе и будут двигаться совершенно беспорядочно. Но это не всегда так. Например, так называемый активный планктон может самостоятельно перемещаться в потоке. Навид Мусави, аспирант Гетеборгского университета, создал модель, включающую различные гидродинамические факторы, чтобы изучить, как эти организмы справляются с турбулентностью и даже используют ее. Работа опубликована на сайте библиотеки Гетеборгского университета.
Плавающие микрочастицы могут быть как биологическими, например планктон, так и искусственными, например наномоторы. Планктон вносит вклад в глобальные экосистемы, вырабатывая кислород, и составляет основу океанической пищевой сети.
Навид Мусави создал новые методы моделирования и изучения навигации микропланктона, объединив физику активной материи с принципами машинного обучения. В работе найдены оптимальные модели поведения планктона, позволяющие ему выжить в турбулентной среде обитания.
«В модели планктон использует локальную информацию для навигации, что отражает реальные условия, с которыми сталкиваются эти маленькие пловцы», – говорит Навид Мусави. Исследование также показало, что микропланктон может использовать поток, чтобы двигаться быстрее, чем самостоятельно, что является важным моментом как для биологических, так и для искусственных приложений.
Еще одним интересным результатом исследования стало обнаружение оптимального поведения, позволяющего избежать высокой турбулентной деформации. Удивительно, но оказалось, что планктон стремится плыть против течения, чтобы сохранить свое положение в областях с низкой деформацией.
«Такое поведение, по-видимому, имеет решающее значение для выживания и позволяет планктону избегать хищников и оставаться в зонах, богатых питательными веществами», – говорит Навид Мусави. Все найденные стратегии эффективно работают в нескольких различных сценариях, что означает возможность их применения в реальных жизненных ситуациях.
Например, в медицине, они могут помочь в разработке умных микрочастиц, способных доставлять лекарства непосредственно в определенные участки тела, делая лечение более эффективным. В экологическом плане эти крошечные пловцы могут помочь очистить океаны от микропластика и сделать планету более здоровой.
«В будущем нам нужно подтвердить эту модель в экспериментах, как с природным планктоном, так и с искусственными частицами», – говорит Навид Мусави. Ученые также планируют изучить более сложные модели, учитывающие эффективность использования энергии и коллективное поведение нескольких организмов.
