Método inspirado en el biliardo para dirigir microrganismos en entornos complejos

Un grupo de investigadores, liderado por Roberto Di Leonardo del departamento de Física de la Sapienza, ha desarrollado un innovador método inspirado en la dinámica del biliardo para orientar el movimiento de microrganismos en entornos controlados. Este estudio, publicado en la revista PNAS, abre nuevas posibilidades en el diseño de algoritmos de navegación para robots que exploren ambientes complejos y desconocidos.

Las partículas inanimadas, como las moléculas de un gas, alcanzan un equilibrio térmico, distribuyéndose uniformemente dentro de un contenedor sin importar su forma o material. Sin embargo, los objetos que se mueven de manera autónoma, tales como microrganismos o robots, son altamente sensibles a las condiciones en las paredes del entorno que los rodea. Comprender esta relación entre los efectos en el borde y las distribuciones espaciales podría permitir la creación de contenedores con formas optimizadas para controlar la materia activa.

Nueva metodología para guiar el movimiento celular

En este contexto, el equipo introdujo un método que permite dirigir el movimiento de partículas activas basándose en las reglas que rigen sus rebotes contra los límites del entorno. Para probar esta técnica, utilizaron la microalga unicelular Euglena gracilis, que se desplaza en línea recta rebotando entre zonas iluminadas y sombreadas. A diferencia de las moléculas gaseosas, que se distribuyen homogéneamente, estas microalgas pueden cubrir áreas específicas con patrones muy sensibles a las condiciones del entorno.

A través del diseño de un sistema conocido como “microbiliardo multistadio”, los investigadores lograron guiar a las microalgas hacia regiones definidas únicamente por la forma del "biliardo de luz". Este enfoque no solo permite acumular objetos activos dentro de contenedores diseñados específicamente, sino también evitar ciertas áreas.

Aplicaciones potenciales y perspectivas futuras

Las aplicaciones derivadas de este avance son diversas e incluyen desde el control espacial y aislamiento de microorganismos hasta la creación de algoritmos que permitan a robots microscopicos y macroscopicos explorar entornos desconocidos con mayor eficiencia. “Es emocionante observar cómo conceptos clásicos de la física pueden adaptarse a sistemas vivos”, comenta Di Leonardo. “Cada vez que esto ocurre, surgen nuevas ideas que enriquecen nuestra comprensión y abren puertas a aplicaciones innovadoras”.

Este trabajo representa un paso significativo hacia el entendimiento y control del comportamiento de la materia activa, lo cual podría transformar tanto la biología como la robótica en el futuro cercano.