Немцы создали управляемые светом микродроны размером с треть эритроцита
Инженеры из Университета Вюрцбурга создали микроскопические дроны весом около 2 пикограмм и размерами около 2 микрометров, которые могут передвигаться под воздействием света. В качестве моторов в них используются плазмонные наноантенны, выполненные из объединенных в группы нескольких золотых наностержней. Падающий на них свет с определенной длиной волны и поляризацией приводит к возникновению тяги за счет направленного рассеяния. Разработчики планируют, что микродроны, по размерам примерно равные одной трети эритроцита человека, могут пригодиться в научных экспериментах для манипуляции микрообъектами и доставки инструментов и полезной нагрузки, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.
Как известно, электромагнитное излучение, падающее на поверхность, оказывает на нее давление. Это объясняется тем, что фотоны, сталкиваясь с облучаемой поверхностью, передают ей свой импульс. На этом эффекте, например, основана концепция солнечного паруса, когда давление солнечного света на поверхность легкого зеркального материала с большой площадью, используется для перемещения космического аппарата в космосе.
В земных условиях давление света обычно не оказывает заметного влияния на макроскопические тела. Однако все меняется в случае значительного уменьшения размеров и массы объекта. В этом случае импульса, передаваемого объекту падающими фотонами излучения, уже может быть достаточно для того, чтобы заставить его двигаться.
Инженеры из Германии под руководством Сяофэя У (Xiaofei Wu) из Университета Вюрцбурга использовали свет для управления движением микроскопических дронов, размеры которых составляют два микрометра, а вес равен приблизительно два пикограмма. Для сравнения размеры устройства составляют примерно одну треть от клетки эритроцита человека. Корпус микродрона представляет собой прозрачную пластину из полимерного соединения силсесквиоксана водорода, который обычно применяют как резист в электронно-лучевой литографии.
В корпусе микродрона в определенной конфигурации располагаются несколько золотых наностержней, объединенных в группы. Они выступают роли плазмонных наноантенн, которые за счет эффекта плазмонного резонанса рассеивают падающее на них электромагнитное излучение определенной длины волны в заданном направлении. Оно определяется поляризацией падающего света, а также взаимным расположением и размером элементов наноантенны. При этом в противоположном излучению направлении возникает сила отдачи, способная заставить микроскопический дрон двигаться.
Инженеры разработали два типа плазмонных наномоторов. Конфигурация первого типа может создавать тягу в одном из двух противоположных направлений, которые определяются направлением круговой поляризации света, попадающего на наностержни, в то время как вторая может генерировать тягу только в одном направлении. Оба типа наномоторов могут быть настроены на определенную длину волны излучения, и, таким образом, включаться независимо друг от друга. Кроме того, оказалось, что для работы устройства нет необходимости в точной фокусировке светового луча, а величина создаваемой оптическими моторами тяги зависит только от интенсивности воздействующего на них электромагнитного излучения.
Двух наномоторов первого типа, расположенных по краям центральной части корпуса достаточно для создания дрона с двумя степенями свободы в двумерном пространстве. Он способен двигаться вперед и назад при одновременном включении тяги двух моторов в одном направлении, а также вращаться вокруг вертикальной оси, если активировать их разнонаправленно.
Второй тип нанодвигателя позволил инженерам создать микродрон с тремя степенями свободы. Он может передвигаться вперед и назад, сдвигаться влево и вправо, а также поворачивать. Его система управления напоминает способ управления квадрокоптером. В этом случае те моторы из четырех установленных на микродроне, которые расположенны спереди и сзади, попарно активируются светом с одинаковой длиной волны. Моторы, располагающиеся на диагонали, имеют разнонаправленную тягу и активируются светом с одинаковым направлением круговой поляризации (но разными длинами волн). Поэтому при увеличении интенсивности управляющего света с одинаковой поляризацией происходит и увеличение тяги расположенных по диагонали двигателей и микродрон совершает соответствующий поворот, аналогично тому, как это происходит и в случае квадрокоптера, поворот которого вокруг вертикальной оси происходит при одновременном изменении тяги двух моторов, расположенных по диагонали.
В качестве источников света для экспериментов с прототипами инженеры выбрали два лазера с длинами волн 830 и 980 нанометров, то есть оранжевого и красного цветов. А сами испытания проходили в водной среде. Помимо движения вперед, назад, влево и вправо, микродроны продемонстрировали способность двигаться и по более сложным траекториям, например, по спирали или по траектории в форме цифры восемь. Линейная скорость составила восемь нанометров в миллисекунду при интенсивности источников света около 0,3 милливатт на квадратный микрометр.
Из-за небольших размеров микродронов, оказалось, что на них оказывает влияние броуновское движение частиц жидкости, в которой они находятся. Из-за этого происходят постоянные небольшие хаотические изменения положения в пространстве и, как следствие, отклонение от заданной траектории. В будущем разработчики планируют добавить в систему управления петлю обратной связи, чтобы в реальном времени компенсировать внешние воздействия на устройство. По их расчетам это позволит снизить величину случайного отклонения траектории до величин менее 10 нанометров.
Ранее мы рассказывали про изобретение инженеров из Бельгии и Франции, которые создали систему для управления плавающими на поверхности воды микрообъектами с помощью инфракрасного лазера. В основе лежит эффект возникновения термокапиллярных конвекционных потоков в жидкости из-за изменения величины поверхностного натяжения при локальном нагреве.
Андрей Фокин
Вероятно, из-за выброса гормона октопамина
Итальянские энтомологи придумали, как сделать выращенных в неволе самцов средиземноморских плодовых мух более успешными любовниками. Эксперименты показали, что если дать мужским особям этих насекомых подраться с роботизированной моделью сородича, то впоследствии они будут больше времени тратить на ухаживания за самками и спаривание с ними. Кроме того, у них вырастет процент успешных попыток спаривания. Как отмечается в статье для журнала Biological Cybernetics, результаты исследования повысят эффективность программ по сокращению численности насекомых, в ходе которых в дикую природу массово выпускают стерилизованных самцов. Среди насекомых много вредителей сельского хозяйства, переносчиков инфекций и инвазивных видов, угрожающих целым экосистемам. Один из наиболее эффективных и безопасных для окружающей среды методов борьбы с ними заключается в том, чтобы в большом количестве выращивать в неволе стерильных самцов определенных видов и выпускать их в природу. После того, как такие особи спарятся с дикими самками, те не дадут потомства. В результате местная популяция вида сократится или вовсе исчезнет. Несмотря на все достоинства этого подхода, у него есть и недостатки. Одна из проблем заключается в том, что выращенные в неволе и стерилизованные самцы приспособлены к жизни в природе хуже своих диких сородичей. Например, они зачастую плохо справляются с поиском и оплодотворением самок. Команда энтомологов под руководством Донато Романо (Donato Romano) из Школы передовых исследований имени Святой Анны в Пизе решила сделать выращенных в неволе самцов насекомых более успешными любовниками. Ученые сосредоточили внимание на средиземноморских плодовых мухах (Ceratitis capitata) — широко распространенных вредителях, личинки которых питаются плодами более 200 видов растений. С этими насекомыми часто борются, выпуская в природу стерилизованных самцов. Романо и его соавторы обратили внимание, что самцы средиземноморских плодовых мух агрессивно ведут себя по отношению друг к другу. Мужские особи этих насекомых занимают на листьях или плодах растений участки, где устраивают брачные демонстрации для привлечения самок. Хозяин участка ревностно защищает его от конкурентов, вступая с ними в ритуализированные поединки, включающие взмахи и удары крыльями, а также покачивания и толчки головой. Авторы предположили, что сражения с соперниками запускают в организме мух-самцов изменения, которые впоследствии позволяют им эффективнее привлекать и оплодотворять самок. Чтобы проверить данную идею, исследователи провели серию экспериментов с выращенными в неволе самцами плодовых мух. Они сажали по одной мужской особи за раз в прозрачный контейнер, на дне которого по окружности лежали пять дисков, вырезанных из листьев цитрусовых деревьев. После этого подопытных мух на двадцать минут оставляли в одиночестве, чтобы они заняли один из дисков в качестве демонстрационной площадки. Затем авторы помещали в центр окружности между дисками роботизированную модель самца, управляемую с помощью магнита, Ее направляли к диску, выбранному настоящим самцом, чтобы сымитировать вторжение соперника. Робомуха находилась у границ занятого участка тридцать секунд, после чего возвращалась в центр окружности на шестьдесят секунд. Данная последовательность действий повторялась в течение пятнадцати минут. Подопытные самцы видели в роботах соперников и демонстрировали агрессивное поведение, защищая от них свои участки. На следующем этапе к самцам плодовых мух, которые сразились с роботом, на час подсаживали половозрелых самок. Исследователи фиксировали, сколько времени у мужских особей займет вибрациями крыльями (это часть брачной демонстрации), как быстро они перейдут к совокуплению и как долго оно продлится. Кроме того, они оценивали, закончится ли попытка спариться успешно или самка отвергнет ухаживания. В качестве контрольной группы выступали самцы, которые не сталкивались ни с живыми, ни с роботизированными соперниками. В обеих группах было по 120 особей. Как и ожидали авторы, встреча с роботом-конкурентом помогла самцам плодовых мух эффективнее привлекать самок. По сравнению с сородичами из контрольной группы они дольше вибрировали крыльями, позже переходили к совокуплению и дольше оплодотворяли самок. В целом такие самцы тратили больше времени на ухаживания и спаривание. А их попытки совокупиться с самками чаще заканчивались успешно. Романо и его коллеги предполагают, что во время драки с соперником (настоящим или роботизированным) в гемолимфу мух-самцов выбрасывается большое количество октопамина — аналога норадреналина у беспозвоночных. Это соединение активирует октопаминергические нейроны и тем самым стимулирует агрессивное и брачное поведение. Авторы надеются, что результаты их исследования сделают проекты по контролю численности вредных насекомых более эффективными. Однако для этого нужно придумать, как тренировать стерилизованных самцов в промышленных масштабах. Ранее мы рассказывали о том, как нидерландские инженеры создали легкого летающего робота, который позволяет изучать механизмы, лежащие в основе полета насекомых. Несмотря на отсутствие хвоста он может управлять движением вокруг вертикальной оси с помощью движений крыльев, создающих крутящие моменты по остальным осям. Эксперименты с роботом позволили подтвердить гипотезу, согласно которой дрозофилы и некоторые другие насекомые используют аналогичный механизм во время резких поворотов.