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「メソスケール」の水泳選手が体内に薬物送達ロボットを導入する道を開く可能性がある

アルテミアはカンチレバーに接続された状態で泳ぎます。クレジット: Sharadhi Nagaraja/アアルト大学。 物理学では、メソスケールは微視的スケールと巨視的スケールの間にあります。それは、小さな幼虫、エビ、クラゲなどの小さな生き物の領域だけでなく、物理方程式が極端になる領域でもあります。巨視的な領域は慣性によって支配され、微視的な領域は粘性によって支配されますが、メソスケールはその両方であり、どちらでもないため、それを記述するには新しい一連の物理学が必要です。 今回、アアルト大学応用物理学科の物理学者たちは、粘性と慣性が混ざり合ったメソスケールの中で生物がどのように泳ぐかを発見した。この研究は最近雑誌に掲載されました 通信物理学。 マチルダ・バックホルム助教授率いる学際的なチームは、この領域で効率的に泳ぐための鍵は、単に速く動いたり大きくなったりするだけではなく、時間反転対称性の破れとして知られる非相反運動の現象であることを発見した。この結果は基礎物理学における知識のギャップを埋めるのに役立ち、メソロボティクスなどの応用への道を開く可能性がある。薬物送達や医療処置を行うために患者の体内に注入される小型ロボット。 難しい泳ぎではなく、より賢く泳ぎましょう 研究チームは、アルテミア（長さ約400～1,500マイクロメートルのメソ生物）がカンチレバーに接続された状態で水中を泳ぐ際に働く物理的な力を測定していることを観察した。 「水泳中、アルテミアは触角の関節のような部分を曲げ、8の字を描きました。その後、私たちはこの動作範囲を定量化し、測定することにしました」と博士研究員のシャラディ・ナガラジャ氏は説明した。 8 の字の動きにより、アルテミアの動きに自由度が加わりました。これは、その生物が時間反転対称性（微視的な領域の運動を支配する物理学の概念）を破っていることを証明した。 「時間反転対称性とは、泳ぐバクテリアの映画を撮影する場合、その映画を順方向に再生するか逆方向に再生するかでバクテリアの動きが異なって見える必要があることを意味します。これが当てはまらない場合、泳ぐ人は前に進むことができません。これは流体力学におけるこの高粘性領域では基本的な要件ですが、メソスケールではもはや要件ではありません」とバックホルム氏は説明します。 メソスケールでは、アルテミアは泳ぐために時間反転対称性を破る必要はありませんが、アンテナを使ってとにかくそうしているようです。 「アルテミアが時間反転対称性をより多く破ると、より上手に泳ぎ、より高い推進力を持つことがわかりました。これは、これまで誰も生物について直接測定できなかったことです」とナガラジャ氏は付け加えた。 バックホルム氏のチームはアルテミアの動きの無数のフレームを撮影し、機械学習を使用してそれらを分析した。生物自体を扱うには、バックホルムが開発に貢献したマイクロピペット力センサーに加えて、物理学者と生物学者の専門知識を組み合わせたものが必要でした。 「マイクロピペット力センサー技術は、泳ぐ人に害を及ぼさず、時間分解力の測定と同時に水泳の動きを画像化できるため、生きたメソ生物の遊泳力を直接測定するのに理想的です」と博士研究員のラファエル・アヤラ・ララ氏は説明する。 小さな生物から小さなロボットまで メソスケールの水泳物理学の知識は、バックホルム氏が医学などの分野で使用するメソロボットと呼ぶものをエンジニアが構築し、プログラムするのに役立つ可能性がある。 「そのアイデアは、体内のある特定の場所に薬剤を届ける非常に小さなロボットを作ることだ。例えば、体全体に毒を与えるのではなく、腫瘍に毒を直接送り込む。そのようなメソロボットは、顕微鏡で見るロボットよりも大量の薬剤を届けることができるだろう」とバックホルム氏は言う。 これは科学が自然に追いつきつつある研究の道だ、とバックホルム氏は言う。 「自然はすでにこのことを理解しています。数百万年にわたる進化を通じて、生物は最も効率的に泳げるように発達してきました。しかし、技術者がより深い理解を深め始めたのは今になって初めてです。」 出版物の詳細 RA Lara 他、生きているメソスイマーの力と対称性の破れ、 通信物理学 （2026年）。 DOI: 10.1038/s42005-025-02486-3 アアルト大学提供 引用: 「メソスケール」スイマーは体内に薬物送達ロボットへの道を開く可能性がある (2026 年 3 月 8…