ENG: Autonomous optimal navigation of microswimmers is in fact possible, as researchers from the Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization showed. In contrast to the targeted navigation of boats, the motion of swimmers at the microscale is strongly disturbed by fluctuations. The researchers now described a navigation strategy for microswimmers that does not need an external interpreter. Their findings may contribute to the understanding of transport mechanisms in the microcosm as well as to applications such as targeted drug delivery.

Whereas the shortest way between two points is a straight connection, it might not be the most efficient path to follow. Complex currents often affect the motion of microswimmers and make it difficult for them to reach their destination. At the same time, making use of these currents to navigate as fast as possible is a certain evolutionary advantage. Whereas such strategies allow biological microswimmers to better access food or escape a predator, microrobots could this way be directed to perform specific tasks.

The optimal path in a given current can readily be determined mathematically, yet fluctuations perturb the motion of microswimmers and deviate them from the optimal route. Thus, they have to readjust their motion in order to account for environmental changes. This typically requires the help of an external interpreter and takes away their autonomy.

When an external interpreter defines the navigation pattern, microswimmers on average follow a well-defined path. Thus, it is a good approach to guide the microswimmer along that path within the current. This can be achieved autonomously via external stimuli, despite the presence of fluctuations. This principle could be applied to swimmers that respond to variation of light, such as certain algae, in which case the optimal path can simply be illuminated. Remarkably, the resulting performances are comparable to externally supervised navigation.

RO: Navigația autonomă optimă a microînotătorilor este posibilă, după cum au demonstrat cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru dinamică și autoorganizare. Spre deosebire de navigația pe un traseu a bărcilor, mișcarea înotătorilor la microscală este puternic perturbată de fluctuații. Cercetătorii au descris acum o strategie de navigație pentru microînotători care nu are nevoie de un interpret extern. Descoperirile lor ar putea contribui la înțelegerea mecanismelor de transport în microcosmos, precum și la aplicații precum livrarea direcționată de medicamente.

Cea mai scurtă cale între două puncte este o conexiune dreaptă s-ar putea să nu fie cea mai eficientă cale de urmat. Curenții complecși afectează deseori mișcarea microînotătorilor și le îngreunează sosirea la destinație. În același timp, utilizarea acestor curenți pentru a naviga cât mai repede posibil reprezintă un anumit avantaj evolutiv. În timp ce astfel de strategii permit microînotătorilor biologici să acceseze mai bine hrana sau să scape de un prădător, microroboții ar putea fi astfel direcționați pentru a îndeplini sarcini specifice.

Calea optimă într-un anumit curent poate fi ușor determinată matematic, însă fluctuațiile perturbă mișcarea microînotătorilor și îi abat de la traseul optim. Astfel, aceștia trebuie să își reajusteze mișcarea pentru a ține cont de schimbările din mediul înconjurător. Acest lucru necesită, de obicei, ajutorul unui interpret extern și le răpește autonomia.

Atunci când un interpret extern definește modelul de navigație, microînotătorii urmează în medie un traseu bine definit. Acest lucru poate fi realizat în mod autonom prin stimuli externi, în ciuda prezenței fluctuațiilor. Acest principiu ar putea fi aplicat în cazul înotătorilor care răspund la variația luminii, cum ar fi anumite alge, caz în care calea optimă poate fi pur și simplu iluminată. În mod remarcabil, performanțele rezultate sunt comparabile cu cele ale navigației supravegheate din exterior.

Source (Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, “When making a detour is faster”, 07.10.2022)

Paper: Piro, L., Mahault, B. and Golestanian, R., 2022. Optimal navigation of microswimmers in complex and noisy environments. arXiv preprint arXiv:2204.01116.