Оно живое (ну, почти). Биологи научили кусок гидрогеля плавать, изгибаться и имитировать бактерий

Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере показали, что искусственные микрочастицы могут вести себя почти как живые организмы. Эти крошечные объекты умеют менять форму и самостоятельно двигаться под действием электрического поля, подстраиваясь под условия среды.

Речь идет об так называемых активных частицах — системах, которые не просто пассивно плывут по течению, а умеют забирать энергию из окружающей среды и превращать ее в движение. Саму идею активной материи ученые обсуждают уже не одно десятилетие, вдохновляясь бактериями и другими микроорганизмами. Но до сих пор большинство таких частиц были жесткими и однородными: они могли двигаться, но не умели менять форму или поведение.

Команда из Боулдера решила приблизить искусственные системы к биологии. Как объясняет один из авторов работы, цель состояла в том, чтобы создать мягкие, перестраиваемые частицы, которые могут изгибаться, менять конфигурацию и за счет этого управлять собственным движением.

Получившиеся частицы по размерам сопоставимы с крупными бактериями — до 40 микрометров в длину. Их главная особенность в том, что они состоят из 2 принципиально разных слоев. Один слой — это мягкий гидрогель, способный впитывать воду и разбухать или, наоборот, сжиматься. Второй — жесткий, стеклообразный материал, который на изменения условий почти не реагирует.

Когда температура окружающей воды меняется, гидрогель ведет себя по-разному: в более холодной среде он набирает воду и увеличивается в объеме, а при нагреве отдает влагу и сжимается. Поскольку второй слой остается неизменным, вся частица начинает изгибаться. Так простое физическое различие между слоями превращается в механизм управляемой смены формы.

Дальше в дело вступает электрическое поле. В эксперименте частицы помещали в водную камеру и создавали переменное электрическое поле. Меняя температуру, ученые заставляли частицы принимать определенную форму и ориентироваться в пространстве. Электрическое поле поляризовало систему, и ионы внутри гидрогеля и в окружающей воде начинали двигаться несимметрично. Именно этот неравномерный поток зарядов и толкал частицу вперед.

Важно, что направление и характер движения напрямую зависят от формы частицы и свойств ее слоев. По сути, меняя температуру, исследователи могли в реальном времени переключать способ передвижения: частица могла плыть в 1 сторону, затем изгибаться и менять траекторию. Обратимая настройка формы и «поляризуемости» открывает путь к точному и программируемому управлению микродвижением.

Потенциальных применений у этой идеи много, хотя до практики еще далеко. Один из самых очевидных сценариев — медицинские микророботы. В будущем подобные частицы могли бы доставлять лекарства в труднодоступные области организма, куда обычные препараты добираются плохо. Правда, использовать переменное электрическое поле внутри тела человека вряд ли будет безопасно, поэтому для медицины придется искать другие способы приведения таких систем в движение.

Зато уже сейчас авторы видят перспективы в создании чувствительных биомедицинских устройств, гибкой электроники и сенсоров, а также в разработке так называемых «умных» материалов, которые способны самовосстанавливаться и реагировать на внешние воздействия. По словам одного из руководителей проекта, К. Уайатта Шилдса, работа фактически открывает новое направление в исследовании активной материи — систем, которые не просто движутся, но и демонстрируют зачатки адаптивного поведения.

В более широком смысле эта работа показывает, что граница между живым и неживым на микроуровне не так уж жестка. Используя простые физические принципы — разную жесткость материалов, температуру и электрические поля, — можно воспроизводить отдельные элементы поведения живых организмов. И это делает такие системы не только интересными с точки зрения инженеров, но и важными для понимания того, как в природе вообще возникает сложное движение и координация.