La fisica del biliardo per guidare i microrganismi a esplorare l’ambiente
Lo studio, coordinato dalla Sapienza, ha messo a punto un metodo ispirato alla dinamica del tavolo da biliardo, per orientare il movimento di microrganismi all’interno di un ambiente delimitato. Tra le possibili applicazioni, la progettazione di algoritmi di navigazione per robot in grado di esplorare ambienti complessi e sconosciuti.
Lo studio è pubblicato su PNAS.
Particelle inanimate, come le molecole di un gas, raggiungono l’equilibrio termico, uno stato stabile in cui si distribuiscono uniformemente all’interno di un contenitore, indipendentemente dalla sua forma o dal materiale di cui è composto.
Oggetti che si muovono autonomamente invece quali microrganismi o robot, sono molto sensibili a quello che succede sulle pareti dell’ambiente che li contiene. Comprendere la relazione tra gli effetti al bordo e le distribuzioni spaziali potrebbe permettere di progettare contenitori con forme ottimizzate per il controllo geometrico della cosiddetta materia attiva.
In uno studio pubblicato su PNAS, Roberto Di Leonardo del dipartimento di Fisica della Sapienza insieme a ricercatori del Centro di Ricerca Biologica (Biological Research Center) in Ungheria hanno introdotto un nuovo metodo che consente di guidare il movimento di particelle attive in base alle regole con cui rimbalzano sui bordi dell’ambiente in cui si muovono.
Il metodo è stato testato con la microalga unicellulare Euglena gracilis che, come una palla su un tavolo da biliardo, si muove in linea retta rimbalzando sul confine tra luce e ombra di una zona illuminata. A differenza delle molecole di un gas che si distribuiscono uniformemente all’interno di un contenitore, le microalghe possono ricoprire una “macchia” di luce con distribuzioni altamente sensibili alle condizioni al contorno. In particolare, attraverso la progettazione di una sorta di “microbiliardo” multistadio, è stato possibile guidare le microalghe in regioni di accumulazione definite soltanto dalla forma di questo “biliardo di luce”.
In generale, questo metodo rende possibile progettare la forma di contenitori in modo che i oggetti attivi al loro interno si accumulino spontaneamente o evitino determinate regioni.
Le applicazioni potrebbero essere numerose: dal controllo spaziale e all’isolamento dei microrganismi fino alla progettazione di algoritmi di navigazione per robot microscopici e macroscopici in grado di esplorare in modo più efficiente ambienti complessi e sconosciuti.
“È sempre entusiasmante vedere – dichiara Roberto Di Leonardo – come concetti della fisica classica, sviluppati originariamente per la materia inanimata, possono essere generalizzati a oggetti che si muovono autonomamente, ciò che oggi chiamiamo materia attiva. Ogni volta che questo accade, emergono nuove idee che non solo approfondiscono la nostra comprensione di ciò che pensavamo di sapere già, ma aprono anche la strada a nuove applicazioni per sistemi viventi o robotici”.
Riferimenti bibliografici:
R. Di Leonardo, A. Búzás, L. Kelemen, D. Tóth, S.Z. Tóth, P. Ormos, & G. Vizsnyiczai, Active billiards: Engineering boundaries for the spatial control of confined active particles, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (2025) 122 (38) e2426715122, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2426715122
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