Microswimmer
માઇક્રોસ્વિમર એ એક સૂક્ષ્મ પદાર્થ છે જે પ્રવાહી વાતાવરણમાં ફરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. કુદરતી માઇક્રોસ્વિમર્સ કુદરતી વિશ્વમાં દરેક જગ્યાએ જૈવિક સુક્ષ્મસજીવો તરીકે જોવા મળે છે, જેમ કે બેક્ટેરિયા, આર્કિયા, પ્રોટિસ્ટ, શુક્રાણુ અને માઇક્રોએનિમલ. સહસ્ત્રાબ્દીની શરૂઆતથી કૃત્રિમ અને બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સના ઉત્પાદનમાં રસ વધી રહ્યો છે. તેમના ઉદભવને માત્ર બે દાયકા વીતી ગયા હોવા છતાં, તેઓએ પહેલેથી જ વિવિધ બાયોમેડિકલ અને પર્યાવરણીય ઉપયોગો માટે વચન આપ્યું છે. આ ક્ષેત્રની તાજેતરની પ્રકૃતિને ધ્યાનમાં રાખીને, આ લેખ "માઇક્રોસ્વિમર્સ" તરીકે ઓળખાતા સૂક્ષ્મ પદાર્થોના નામકરણ માટે સાહિત્યમાં હજુ સુધી કોઈ સર્વસંમતિ નથી. ઘણા વૈકલ્પિક નામોમાં આવી વસ્તુઓ સાહિત્યમાં આપવામાં આવી છે, માઇક્રોસ્વિમર્સ, માઇક્રો/નેનોરોબોટ્સ અને માઇક્રો/નેનોમોટર સંભવતઃ સૌથી વધુ વારંવાર જોવા મળે છે. અન્ય સામાન્ય શબ્દો વધુ વર્ણનાત્મક હોઈ શકે છે, જેમાં પદાર્થના આકાર વિશેની માહિતીનો સમાવેશ થાય છે, દા. ત., માઇક્રોટ્યૂબ અથવા માઇક્રોહેલિક્સ, તેના ઘટકો, દા. ત., બાયોહાઇબ્રિડ, સ્પર્મબોટ, બેક્ટેરિઆબોટ, અથવા માઇક્રો-બાયો-રોબોટ, અથવા વર્તન, દા. ત., માઇક્રોરોકેટ, માઇક્રોબુલેટ, માઇક્રોટૂલ અથવા માઇક્રોરોલર. સંશોધકોએ તેમના ચોક્કસ માઇક્રોસ્વિમર્સનું નામ પણ રાખ્યું છે જેમ કે, મેડીબોટ્સ, હેરબોટ્સ, આઈમુશબોટ્સ, આઈરોનસ્પર્મ, ટીબોટ્સ, બાયોબોટ્સ, ટી-બડબોટ્સ અથવા એમઓએફબીઓટીએસ. પૃષ્ઠભૂમિ 1828માં, બ્રિટિશ જીવવિજ્ઞાની રોબર્ટ બ્રાઉને પાણીમાં પરાગની અવિરત ઝૂલતી ગતિની શોધ કરી હતી અને તેમના લેખ "એ બ્રીફ એકાઉન્ટ ઓફ માઇક્રોસ્કોપિકલ ઓબ્ઝર્વેશન" માં તેમના તારણનું વર્ણન કર્યું હતું, જે આ ગતિની ઉત્પત્તિ વિશે વિસ્તૃત વૈજ્ઞાનિક ચર્ચા તરફ દોરી ગયું હતું. આ કોયડો માત્ર 1905 માં ઉકેલાયો હતો, જ્યારે આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈને તેમના પ્રખ્યાત નિબંધ über die von der molekularkinetishen Theori der Wárme gefordte Bewegung von in ruhenden Flussigkeiten sspendierten Teilchen પ્રકાશિત કર્યા હતા. આઈન્સ્ટાઈને માત્ર શાંત પ્રવાહીમાં સ્થગિત કણોના પ્રસરણનું અનુમાન જ નહોતું કર્યું, પરંતુ સૂચવ્યું હતું કે આ તારણોનો ઉપયોગ કણોના કદને નિર્ધારિત કરવા માટે થઈ શકે છે-એક અર્થમાં, તેઓ વિશ્વના પ્રથમ સૂક્ષ્મજીવવિજ્ઞાની હતા. જ્યારથી ન્યૂટને તેમના ગતિના સમીકરણો સ્થાપિત કર્યા છે, ત્યારથી માઇક્રોસ્કેલ પર ગતિનું રહસ્ય વૈજ્ઞાનિક ઇતિહાસમાં વારંવાર ઉભરી આવ્યું છે, જેમ કે થોડા લેખો દ્વારા પ્રખ્યાત રીતે દર્શાવવામાં આવ્યું છે જેની ટૂંકમાં ચર્ચા થવી જોઈએ. પ્રથમ, ઓસ્બોર્ન રેનોલ્ડ્સ દ્વારા લોકપ્રિય કરાયેલ એક આવશ્યક ખ્યાલ એ છે કે પ્રવાહીની ગતિ માટે જડતા અને સ્નિગ્ધતાનું સંબંધિત મહત્વ વિચારણા હેઠળની પ્રણાલીની ચોક્કસ વિગતો પર આધારિત છે. તેમના સન્માનમાં નામ આપવામાં આવેલ રેનોલ્ડ્સ નંબર, આ સરખામણીને લાક્ષણિક જડતા અને ચીકણું બળોના પરિમાણહીન ગુણોત્તર તરીકે માપે છેઃ અહીં, પ્રવાહીની ઘનતાને રજૂ કરે છે; સિસ્ટમનો લાક્ષણિક વેગ છે (ઉદાહરણ તરીકે, સ્વિમિંગ કણનો વેગ); એક લાક્ષણિક લંબાઈ સ્કેલ છે (દા. ત., તરણવીરનું કદ); અને તે પ્રવાહીની સ્નિગ્ધતા છે. સસ્પેન્ડિંગ પ્રવાહીને પાણી તરીકે લેવું, અને તેના માટે પ્રાયોગિક રીતે અવલોકન કરેલા મૂલ્યોનો ઉપયોગ કરીને, તે નક્કી કરી શકાય છે કે માછલી (= 100) જેવા મેક્રોસ્કોપિક તરવૈયાઓ માટે જડતા મહત્વપૂર્ણ છે, જ્યારે સ્નિગ્ધતા બેક્ટેરિયા (= 10−4) જેવા માઇક્રોસ્કેલ તરવૈયાઓની ગતિ પર પ્રભુત્વ ધરાવે છે. માઇક્રોમીટર સ્કેલ પર તરવા માટે સ્નિગ્ધતાનું જબરજસ્ત મહત્વ તરવાની વ્યૂહરચના માટે ઊંડી અસરો ધરાવે છે. આની ચર્ચા ઇ. એમ. પર્સેલ દ્વારા યાદગાર રીતે કરવામાં આવી છે, જેમણે વાચકને સુક્ષ્મસજીવોની દુનિયામાં આમંત્રિત કર્યા હતા અને તેમની ગતિની પરિસ્થિતિઓનો સૈદ્ધાંતિક અભ્યાસ કર્યો હતો. પ્રથમ સ્થાને, મોટા પાયે તરવૈયાઓની પ્રોપલ્શન વ્યૂહરચનાઓમાં ઘણીવાર સમયાંતરે અલગ ઘટનાઓમાં આસપાસના પ્રવાહીને વેગ આપવાનો સમાવેશ થાય છે, જેમ કે વોર્ટેક્સ શેડિંગ, અને જડતા દ્વારા આ ઘટનાઓ વચ્ચે કોસ્ટિંગ. બેક્ટેરિયા જેવા માઇક્રોસ્કેલ તરવૈયાઓ માટે આ અસરકારક ન હોઈ શકેઃ મોટા ચીકણું ભીનાશને કારણે, માઇક્રોન-કદના પદાર્થનો જડતા દરિયાકિનારાનો સમય 1 માઇક્રોનના ક્રમમાં હોય છે. લાક્ષણિક ઝડપે આગળ વધતા સુક્ષ્મસજીવોના દરિયાકિનારાનું અંતર લગભગ 0.1 એંગસ્ટ્રોમ (Å) છે. પર્સેલે તારણ કાઢ્યું હતું કે માઇક્રોસ્કેલ બોડી પર વર્તમાન ક્ષણે જે બળો મૂકવામાં આવે છે તે જ તેના પ્રોપલ્શનમાં ફાળો આપે છે, તેથી સતત ઊર્જા રૂપાંતરણ પદ્ધતિ આવશ્યક છે. સુક્ષ્મસજીવોએ સતત ઊર્જા ઉત્પાદન માટે તેમના ચયાપચયને શ્રેષ્ઠ બનાવ્યું છે, જ્યારે શુદ્ધ કૃત્રિમ માઇક્રોસ્વિમર્સ (માઇક્રોરોબોટ્સ) એ પર્યાવરણમાંથી ઊર્જા મેળવવી આવશ્યક છે, કારણ કે તેમની ઓન-બોર્ડ સંગ્રહ ક્ષમતા ખૂબ જ મર્યાદિત છે. ઊર્જાના સતત વિસર્જનના વધુ પરિણામે, જૈવિક અને કૃત્રિમ માઇક્રોસ્વિમર્સ સંતુલન આંકડાકીય ભૌતિકશાસ્ત્રના નિયમોનું પાલન કરતા નથી, અને બિન-સંતુલન ગતિશીલતા દ્વારા તેનું વર્ણન કરવાની જરૂર છે. ગાણિતિક રીતે, પર્સેલે નેવિઅર-સ્ટોક્સ સમીકરણ લઈને અને જડતા શરતોને દૂર કરીને નીચા રેનોલ્ડ્સ નંબરની અસરોની શોધ કરીઃ જ્યાં પ્રવાહીનો વેગ છે અને તે દબાણનો ઢાળ છે. પર્સેલે નોંધ્યું તેમ, પરિણામી સમીકરણ-સ્ટોક્સ સમીકરણ-માં કોઈ સ્પષ્ટ સમય નિર્ભરતા નથી. સ્થગિત શરીર (દા. ત., બેક્ટેરિયમ) સમયાંતરે યાંત્રિક ગતિ અથવા વિકૃતિઓ (દા. ત., ફ્લેજેલમની) દ્વારા કેવી રીતે તરી શકે છે તેના કેટલાક મહત્વપૂર્ણ પરિણામો છે. પ્રથમ, માઇક્રોસ્વિમર અને આસપાસના પ્રવાહીની ગતિ માટે ગતિનો દર વ્યવહારીક રીતે અપ્રસ્તુત છેઃ ગતિનો દર બદલવાથી પ્રવાહી અને માઇક્રોસ્વિમરની વેગની માત્રામાં ફેરફાર થશે, પરંતુ તે પ્રવાહીના પ્રવાહની પેટર્નમાં ફેરફાર કરશે નહીં. બીજું, યાંત્રિક ગતિની દિશા ઉલટાવવાથી પ્રણાલીમાં તમામ વેગ સરળતાથી ઉલટાવી શકાય છે. સ્ટોક્સ સમીકરણના આ ગુણધર્મો શક્ય તરણ વ્યૂહરચનાઓની શ્રેણીને ગંભીર રીતે પ્રતિબંધિત કરે છે. નક્કર ઉદાહરણ તરીકે, એક ગાણિતિક સ્કેલોપને ધ્યાનમાં લો જેમાં કાજ દ્વારા જોડાયેલા બે કઠોર ટુકડાઓનો સમાવેશ થાય છે. શું "સ્કૉલપ" સમયાંતરે કાજ ખોલીને અને બંધ કરીને તરી શકે છે? નાઃ ખોલવાનું અને બંધ કરવાનું ચક્ર સમય પર કેવી રીતે આધાર રાખે છે તે ધ્યાનમાં લીધા વિના, સ્કૉલપ હંમેશા ચક્રના અંતે તેના પ્રારંભિક બિંદુ પર પાછા આવશે. અહીં આઘાતજનક અવતરણ ઉદ્દભવે છેઃ "ઝડપી કે ધીમું, તે બરાબર તેના માર્ગને પાછું ખેંચે છે અને તે જ્યાંથી શરૂ થયું હતું ત્યાં પાછું છે". આ સ્કેલોપ પ્રમેયના પ્રકાશમાં, પર્સેલે સૂક્ષ્મ સ્કેલ પર કૃત્રિમ ગતિ કેવી રીતે પેદા કરી શકાય તે અંગેના અભિગમો વિકસાવ્યા. આ પેપર ચાલુ વૈજ્ઞાનિક ચર્ચાને પ્રેરિત કરવાનું ચાલુ રાખે છે; ઉદાહરણ તરીકે, મેક્સ પ્લેન્ક ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ફોર ઇન્ટેલિજન્ટ સિસ્ટમ્સના ફિશર જૂથ દ્વારા તાજેતરમાં કરવામાં આવેલા કાર્યોએ પ્રાયોગિક રીતે પુષ્ટિ કરી હતી કે સ્કેલોપ સિદ્ધાંત માત્ર ન્યુટોનિયન પ્રવાહી માટે જ માન્ય છે. પ્રકાર વિવિધ પ્રકારના માઇક્રોસ્વિમર્સ વિવિધ રીતે સંચાલિત અને સક્રિય થાય છે. વ્યક્તિગત માઇક્રોસ્વિમર્સ તેમજ માઇક્રોસ્વિમર્સના ઝુંડ માટે તરવાની વ્યૂહરચનાઓની વર્ષોથી તપાસ કરવામાં આવી છે. સામાન્ય રીતે, માઇક્રોસ્વિમર્સ કાં તો બાહ્ય ઉર્જા સ્ત્રોતો પર આધાર રાખે છે, કારણ કે તે ચુંબકીય, ઓપ્ટિક અથવા એકોસ્ટિક નિયંત્રણ માટે હોય છે, અથવા તેમની આસપાસના વિસ્તારમાં ઉપલબ્ધ બળતણનો ઉપયોગ કરે છે, જેમ કે બાયોહાઇબ્રિડ અથવા ઉત્પ્રેરક માઇક્રોસ્વિમર્સની બાબતમાં થાય છે. મેગ્નેટિક અને એકોસ્ટિક એક્ચ્યુએશન સામાન્ય રીતે ઇન વિવો માઇક્રોસ્વિમર મેનીપ્યુલેશન સાથે સુસંગત હોય છે અને ઉત્પ્રેરક માઇક્રોસ્વિમર્સને ખાસ કરીને વિવો ઇંધણમાં ઉપયોગમાં લેવા માટે એન્જિનિયર્ડ કરી શકાય છે. જૈવિક પ્રવાહીમાં અથવા વિવોમાં ઓપ્ટિકલ બળોનો ઉપયોગ વધુ પડકારજનક છે, પરંતુ તેમ છતાં રસપ્રદ ઉદાહરણો દર્શાવવામાં આવ્યા છે. મોટેભાગે, સંશોધકો સમગ્ર માઇક્રોસ્વિમર ડિઝાઇન માટે અથવા ઇચ્છિત પ્રોપલ્શન પ્રકાર પ્રાપ્ત કરવા માટે પ્રકૃતિમાંથી પ્રેરણા લેવાનું પસંદ કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, પ્રથમ બાયોઇન્સ્પાયર્ડ માઇક્રોસ્વિમર્સમાંના એકમાં બાયોટિન-સ્ટ્રેપ્ટાવિડિન ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા બંધાયેલા ચુંબકીય કણોના તંતુઓથી બનેલા ફ્લેજેલમ જેવા કૃત્રિમ ઘટક સાથે સુધારેલા માનવ લાલ રક્ત કોશિકાઓનો સમાવેશ થતો હતો. તાજેતરમાં, કૃમિ જેવી મુસાફરી તરંગ સુવિધાઓ, ઝીંગા હલનચલન અને બેક્ટેરિયલ રન-એન્ડ-ટમ્બલ ગતિથી પ્રેરિત બાયોમિમેટિક સ્વિમિંગ, આકારના પ્રકાશનો ઉપયોગ કરીને દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. એક અલગ પ્રકૃતિ-પ્રેરિત અભિગમ બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સનો ઉપયોગ છે. તેમાં જીવંત ઘટક અને કૃત્રિમ ઘટકનો સમાવેશ થાય છે. બાયોહાઇબ્રિડ્સ મોટેભાગે વિવિધ જૈવિક પ્રણાલીઓની માઇક્રોસ્કેલ ગતિનો લાભ લે છે અને જીવંત ઘટકની લાક્ષણિકતા ધરાવતી અન્ય વર્તણૂકોનો પણ ઉપયોગ કરી શકે છે. ચુંબકીય બાયોઇન્સ્પાયર્ડ અને બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સ માટે, લાક્ષણિક મોડેલ સજીવો બેક્ટેરિયા, શુક્રાણુ કોષો અને મેગ્નેટોટેક્ટિક કોષો છે. ચુંબકીય દળોના ઉપયોગ ઉપરાંત, બાયોઇન્સ્પાયર્ડ માઇક્રોસ્વિમર્સનું સક્રિયકરણ પણ એકોસ્ટિક ઉત્તેજના અથવા ઓપ્ટિકલ દળોનો ઉપયોગ કરીને દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. ઓપ્ટિકલ દળો સાથે સંબંધિત અન્ય પ્રકૃતિ-પ્રેરિત વર્તણૂક એ ફોટોટેક્સિસ છે, જેનો ઉપયોગ કાર્ગો વહન કરતા સુક્ષ્મસજીવો, કૃત્રિમ માઇક્રોસ્વિમર્સ અથવા બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સ દ્વારા કરી શકાય છે. સંખ્યાબંધ તાજેતરના સમીક્ષા કાગળો માઇક્રોસ્વિમર એક્ચ્યુએશનમાં ઉપયોગમાં લેવાતી પ્રણોદન અને નિયંત્રણ વ્યૂહરચનાઓને સમજાવવા અથવા તેની સરખામણી કરવા પર કેન્દ્રિત છે. મેગ્નેટિક એક્ચ્યુએશનને મોટાભાગે નિયંત્રિત ઇન વિવો માર્ગદર્શક માટે સમાવવામાં આવે છે, માઇક્રોસ્વિમર્સ માટે પણ જે અલગ પ્રકારના પ્રોપલ્શન પર આધાર રાખે છે. 2020 માં, કોલિઓસો એટ અલ. બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશન્સ માટે ચુંબકીય નાના પાયે રોબોટ્સના ઉપયોગની સમીક્ષા કરી અને આવા હેતુઓ માટે વિકસિત વિવિધ ચુંબકીય ક્ષેત્રો અને સક્રિયકરણ પ્રણાલીઓ વિશે વિગતો પ્રદાન કરી. માઇક્રોસ્વિમર્સના બનાવટ માટેની વ્યૂહરચનાઓમાં બે-ફોટોન પોલિમરાઇઝેશન 3ડી પ્રિન્ટિંગ, ફોટોલિથોગ્રાફી, ટેમ્પલેટ-સહાયિત ઇલેક્ટ્રોડિપોજિશન અથવા વિવિધ વ્યૂહરચનાઓનો ઉપયોગ કરીને નિર્જીવ ઘટક સાથે જીવંત ઘટકનું બંધન સામેલ છે. વધુ તાજેતરના અભિગમો 4 ડી પ્રિન્ટિંગનો ઉપયોગ કરે છે, જે ઉત્તેજના-પ્રતિભાવશીલ સામગ્રીનું 3 ડી પ્રિન્ટિંગ છે. વધુ કાર્યાત્મકતા ઘણીવાર જરૂરી હોય છે, ક્યાં તો ચોક્કસ પ્રકારના સક્રિયકરણને સક્ષમ કરવા માટે, દા. ત., ચુંબકીય નિયંત્રણ માટે ધાતુના કોટિંગ અથવા થર્મોપ્લાઝમોનિક પ્રતિક્રિયાઓ, અથવા એપ્લિકેશનના ભાગ રૂપે, જો અમુક લાક્ષણિકતાઓ જરૂરી હોય, ઉદાહરણ તરીકે, સેન્સિંગ, કાર્ગો પરિવહન, પર્યાવરણ સાથે નિયંત્રિત ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ, અથવા બાયોડિગ્રેડેશન. કુદરતી માઇક્રોસ્વિમર્સ ગતિશીલ પ્રણાલીઓ કુદરતી વિશ્વમાં સમય અને લંબાઈના સ્કેલમાં વિકસી છે, જે તીવ્રતાના ઘણા ક્રમમાં ફેલાયેલી છે, અને સ્વ-પ્રોપલ્શન માટે શ્રેષ્ઠ વ્યૂહરચનાઓ પ્રાપ્ત કરવા અને ઉચ્ચ સ્નિગ્ધતા દળો અને બ્રાઉનિયન ગતિની અસરોને દૂર કરવા માટે શારીરિક અને શારીરિક રીતે વિકસિત થઈ છે, જેમ કે જમણી બાજુના આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે. કેટલીક સૌથી નાની જાણીતી કુદરતી ગતિશીલ પ્રણાલીઓ મોટર પ્રોટીન છે, એટલે કે, કોષોમાં હાજર પ્રોટીન અને પ્રોટીન સંકુલ જે રાસાયણિક ઊર્જાને યાંત્રિક ઊર્જામાં પરિવર્તિત કરીને વિવિધ શારીરિક કાર્યો કરે છે. આ મોટર પ્રોટીનને માયોસિન, કિનેસિન અથવા ડાઇનિન તરીકે વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. માયોસિન મોટર્સ સ્નાયુ સંકોચન અને ટ્રેક તરીકે કાર્ગોસિંગ એક્ટિન ફિલામેન્ટ્સના પરિવહન માટે જવાબદાર છે. બીજી બાજુ, ડાયનેઇન મોટર્સ અને કિનેસિન મોટર્સ, કોષમાં ફોલ્લાઓનું પરિવહન કરવા માટે માઇક્રોટ્યુબ્યુલ્સનો ઉપયોગ કરે છે. આ પ્રોટીન મોટર્સ રાસાયણિક ઊર્જાને ગતિમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે જે પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરે છે તે ATP હાઇડ્રોલિસિસ પર આધાર રાખે છે, જે ગોળાકાર મોટર ક્ષેત્રમાં રચનામાં ફેરફાર તરફ દોરી જાય છે, જે નિર્દેશિત ગતિ તરફ દોરી જાય છે. મોટર પ્રોટીન ઉપરાંત, પરંપરાગત રીતે બાયોકેમિકલ પ્રક્રિયાઓમાં તેમના ઉત્પ્રેરક કાર્યો માટે ઓળખાતા ઉત્સેચકો, નેનોસ્કેલ મશીનો તરીકે કાર્ય કરી શકે છે જે રાસાયણિક ઊર્જાને પરમાણુ પરિમાણ પર યાંત્રિક ક્રિયામાં રૂપાંતરિત કરે છે. વિવિધ ઉત્સેચકોનો ફેલાવો (દા. ત. ફ્લોરોસન્ટ સહસંબંધિત સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (એફ. સી. એસ.) દ્વારા માપવામાં આવતા યુરેઝ અને કેટાલેઝ), સબસ્ટ્રેટ-આધારિત રીતે વધે છે. વધુમાં, જ્યારે ઉત્સેચકો પટલથી બંધાયેલા હોય છે, ત્યારે તેમની ઉત્પ્રેરક ક્રિયાઓ લિપિડ વેસિકલની હિલચાલને ચલાવી શકે છે. દાખલા તરીકે, ટ્રાન્સમેમ્બ્રેન એડેનોસિન 5 '-ટ્રાઇફોસ્ફેટેઝ, મેમ્બ્રેન-બાઉન્ડ એસિડ ફોસ્ફેટેઝ અથવા યુરેસ જેવા ઉત્સેચકો સાથે સંકલિત લિપિડ વેસિકલ્સ એન્ઝાઇમેટિક ટર્નઓવર દર સાથે સંકળાયેલ ઉન્નત ગતિશીલતા દર્શાવે છે. બેક્ટેરિયાને મૂળભૂત રીતે બે અલગ જૂથોમાં વિભાજિત કરી શકાય છે, ગ્રામ-પોઝિટિવ અને ગ્રામ-નેગેટિવ બેક્ટેરિયા, જે તેમના કોષ આવરણની રચના દ્વારા અલગ પડે છે. દરેક કિસ્સામાં કોષ પરબિડીયું એક જટિલ બહુસ્તરીય માળખું છે જે કોષને તેના વાતાવરણથી રક્ષણ આપે છે. ગ્રામ-પોઝિટિવ બેક્ટેરિયામાં, કોષરસ પટલ માત્ર પેપ્ટિડોગ્લાયકેનની જાડી કોષ દિવાલથી ઘેરાયેલું હોય છે. તેનાથી વિપરીત, ગ્રામ-નેગેટિવ બેક્ટેરિયાનું આવરણ વધુ જટિલ હોય છે અને તેમાં કોષરસ પટલનું (અંદરથી બહાર સુધી), પેપ્ટિડોગ્લાયકેનનું પાતળું સ્તર અને વધારાનું બાહ્ય પટલ હોય છે, જેને લિપોપોલિસેકરાઇડ સ્તર પણ કહેવાય છે. અન્ય બેક્ટેરિયલ કોષની સપાટીની રચનાઓ અવ્યવસ્થિત લીંબુના સ્તરોથી લઈને અત્યંત સંરચિત કેપ્સ્યુલ્સ સુધીની હોય છે. આ સ્ત્રાવિત પાતળા અથવા ચીકણા પોલિસેકરાઇડ્સ અથવા પ્રોટીનમાંથી બનાવવામાં આવે છે જે કોષોને રક્ષણ પૂરું પાડે છે અને પર્યાવરણ સાથે સીધા સંપર્કમાં હોય છે. તેઓ નક્કર સપાટીઓ સાથે જોડાણ સહિત અન્ય કાર્યો ધરાવે છે. વધુમાં, પ્રોટીન ઉપાંગો સપાટી પર હાજર હોઈ શકે છેઃ ફિમ્બ્રી અને પિલીની લંબાઈ અને વ્યાસ અલગ અલગ હોઈ શકે છે અને તેમના કાર્યોમાં સંલગ્નતા અને ખેંચાણ ગતિશીલતાનો સમાવેશ થાય છે. ખાસ કરીને, જલીય વાતાવરણમાં રહેતા સુક્ષ્મસજીવો માટે, ગતિશીલતાનો અર્થ સ્વિમિંગ થાય છે, અને તેથી વિશ્વ સ્વિમિંગ સુક્ષ્મસજીવોના વિવિધ વર્ગોથી ભરેલું છે, જેમ કે બેક્ટેરિયા, શુક્રાણુ, પ્રોટોઝોઆ અને શેવાળ. બેક્ટેરિયા ફ્લેજેલા તરીકે ઓળખાતા વાળ જેવા તંતુઓના પરિભ્રમણને કારણે આગળ વધે છે, જે બેક્ટેરિયાની કોષ દિવાલ પર પ્રોટીન મોટર સંકુલમાં લંગર કરે છે. શ્વાર્ઝ એટ અલ, 2017 પર આધારિત નીચેનું કોષ્ટક, કુદરતી અથવા જૈવિક માઇક્રોસ્વિમર્સના કેટલાક ઉદાહરણોની યાદી આપે છે. સિન્થેટિક માઇક્રોસ્વિમર્સ વર્તમાન ઇજનેરી પડકારોમાંથી એક લઘુતમ કાર્યાત્મક વાહનો બનાવવાનું છે જે નાના પાયે જટિલ કાર્યો કરી શકે છે જે અન્યથા અવ્યવહારુ, બિનકાર્યક્ષમ અથવા પરંપરાગત માધ્યમો દ્વારા સંપૂર્ણપણે અશક્ય હશે. આ વાહનોને નેનો/માઇક્રોમોટર અથવા નેનો/માઇક્રોબોટ્સ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, અને ઊર્જા, કમ્પ્યુટિંગ અથવા એક બાજુ અન્ય કાર્યક્રમો માટે નાના પરમાણુ મશીનો અને આ કદના સ્કેલની બીજી બાજુ સ્થિર માઇક્રો ઇલેક્ટ્રોમિકેનિકલ સિસ્ટમ્સ (એમ. ઇ. એમ. એસ.) થી પણ અલગ હોવા જોઈએ. ચિપ પર ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો બનવાને બદલે, માઇક્રોમોટર પ્રવાહી માધ્યમ દ્વારા મુક્તપણે ખસેડવા માટે સક્ષમ હોય છે જ્યારે તેને બાહ્ય રીતે અથવા આંતરિક ડિઝાઇન દ્વારા સંચાલિત અથવા નિર્દેશિત કરવામાં આવે છે, જે વિવિધ પદ્ધતિઓ દ્વારા પ્રાપ્ત કરી શકાય છે, જેમાં સૌથી મહત્વપૂર્ણ ઉત્પ્રેરક પ્રતિક્રિયાઓ, ચુંબકીય ક્ષેત્રો અથવા અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો છે. વિવિધ સેન્સિંગ, એક્ચ્યુએટિંગ અથવા પિકઅપ-એન્ડ-ડિલિવરી એપ્લિકેશન્સ છે જે વૈજ્ઞાનિકો હાલમાં લક્ષ્ય ધરાવે છે, જેમાં કેન્સરની સારવાર માટે સ્થાનિક દવાનું લક્ષ્ય વધુ અગ્રણી ઉદાહરણોમાંનું એક છે. આ પ્રકારની એપ્લિકેશનો માટે, માઇક્રોમોટરને ત્રણ પરિમાણોમાં મુક્તપણે ખસેડવા માટે સક્ષમ હોવું જરૂરી છે, જે વિશ્વસનીય પદ્ધતિ સાથે અસરકારક રીતે નિયંત્રિત અને નિર્દેશિત છે. તે માઇક્રોસ્વિમર્સના નાના કદના પ્રમાણનું સીધું પરિણામ છે કે તેમની પાસે રેનોલ્ડ્સની સંખ્યા ઓછી છે. આનો અર્થ એ છે કે માઇક્રોસ્વિમર્સ કેવી રીતે તરીને આવે છે તેના ભૌતિકશાસ્ત્રમાં ચીકણું ખેંચાણ દળોનું પ્રભુત્વ છે, જે એક એવી સમસ્યા છે જેની આ ક્ષેત્રમાં ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ દ્વારા વ્યાપક ચર્ચા કરવામાં આવી છે. આ પ્રકારના તરવાથી ઇજનેરોને પડકાર મળ્યો છે કારણ કે તે સામાન્ય રીતે રોજિંદા જીવનમાં અનુભવાતો નથી, પરંતુ તેમ છતાં શુક્રાણુ અથવા ચોક્કસ બેક્ટેરિયા જેવા ગતિશીલ સુક્ષ્મસજીવો માટે પ્રકૃતિમાં અવલોકન કરી શકાય છે. સ્વાભાવિક રીતે, આ સુક્ષ્મસજીવોએ શરૂઆતથી જ કૃત્રિમ માઇક્રોમોટર બનાવવા માટે પ્રેરણા તરીકે કામ કર્યું હતું, કારણ કે તેઓ સક્રિય, આત્મનિર્ભર માઇક્રોસ્વિમર વાહનને જે પડકારોનો સામનો કરવો પડે છે તેનો સામનો કરવામાં સક્ષમ હતા. બાયોમિમેટિક અભિગમો સાથે, સંશોધકો તેમના સંબંધિત ફ્લેજેલમ આકારનું પુનઃઉત્પાદન કરીને અને તેને ચુંબકીય ક્ષેત્રો સાથે સક્રિય કરીને શુક્રાણુ અને એસ્ચેરીચીયા કોલી બેક્ટેરિયાની ફ્લેજેલા-આધારિત ગતિ વ્યૂહરચનાનું અનુકરણ કરવામાં સક્ષમ હતા. સુક્ષ્મસજીવોએ વિવિધ તરવાની વ્યૂહરચનાનો ઉપયોગ કરીને નીચા રેનોલ્ડ્સ નંબર શાસનના કઠોર વાતાવરણમાં તેમની ગતિશીલતાને અનુકૂલિત કરી છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઇ. કોલી તેના હેલિકલ ફ્લેજેલમને ફેરવીને આગળ વધે છે, ક્લેમીડોમોનાસ ફ્લેજેલામાં બ્રેસ્ટસ્ટ્રોક પ્રકારની ગતિ હોય છે. આફ્રિકન ટ્રાઇપેનોસોમમાં કોષના શરીર સાથે જોડાયેલ હેલિકલ ફ્લેજેલમ હોય છે, જેમાંથી પસાર થતું સમતલીય તરંગ હોય છે. આ પ્રકારના કુદરતી તરવૈયાઓની તરવાની છેલ્લા અડધી સદીથી તપાસ કરવામાં આવી રહી છે. આ અભ્યાસોના પરિણામે, કૃત્રિમ તરવૈયાઓની પણ દરખાસ્ત કરવામાં આવી છે, જેમ કે ટેલર શીટ, પર્સેલના બે-હિંગ તરણવીર, ત્રણ-જોડાયેલા ગોળા તરણવીર, સ્થિતિસ્થાપક બે-ગોળા તરણવીર અને નિષ્ક્રિય સ્થિતિસ્થાપક હાથ સાથે ત્રણ-ગોળા, જેણે રેનોલ્ડ્સની ઓછી સંખ્યાના તરવૈયાઓ વિશેની સમજણમાં વધુ વધારો કર્યો છે. કૃત્રિમ તરણવીરની દરખાસ્તમાં એક પડકાર એ હકીકતમાં રહેલો છે કે સૂચિત હિલચાલ સ્ટ્રોક પારસ્પરિક ન હોવો જોઈએ નહીં તો તે સ્કેલોપ પ્રમેયને કારણે પોતાને આગળ ધપાવી શકશે નહીં. સ્કેલોપ પ્રમેયમાં, પર્સેલે દલીલ કરી હતી કે એક-આંગળી અથવા એક ડિગ્રીની સ્વતંત્રતા ધરાવતો તરણવીર પારસ્પરિક ગતિ કરવા માટે બંધાયેલો છે અને તેથી તે સ્ટોક્સ શાસનમાં તરી શકશે નહીં. પર્સેલે સ્કેલોપ થીયરમમાંથી બહાર નીકળવાની બે સંભવિત રીતો પ્રસ્તાવિત કરી હતી, એક 'કોર્કસ્ક્રુ' ગતિ છે અને બીજી 'ફ્લેક્સિબલ ઓર' ગતિ છે. લવચીક વાંસની વિભાવનાનો ઉપયોગ કરીને, ડ્રેફસ અને અન્ય લોકોએ એક સૂક્ષ્મ તરણવીરની જાણ કરી જે પેરામેગ્નેટિક મણકાથી બનેલા પાતળા તંતુના સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મનો ઉપયોગ કરે છે. સમય વ્યુત્ક્રમ સમપ્રમાણતાને તોડવા માટે, લવચીક હાથ સાથે નિષ્ક્રિય માથું જોડવામાં આવ્યું હતું. નિષ્ક્રિય માથું લવચીક તરણવીરના વેગને ઘટાડે છે, માથું જેટલું મોટું હોય છે, તરણવીર દ્વારા અનુભવાતી ખેંચાણ શક્તિ વધુ હોય છે. તરવા માટે માથું આવશ્યક છે કારણ કે તેના વિના પૂંછડી પારસ્પરિક ગતિ કરે છે અને તરણવીરનો વેગ શૂન્ય થઈ જાય છે. પુનઃરૂપરેખાંકિત કરી શકાય તેવા કૃત્રિમ અથવા કૃત્રિમ માઇક્રોસ્વિમર્સને આંતરિક પ્રતિસાદની જરૂર હોય છે સ્વ-પ્રોપેલિંગ માઇક્રો પાર્ટિકલ્સને ઘણીવાર જૈવિક માઇક્રોસ્વિમર્સ માટે કૃત્રિમ નમૂના તરીકે પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવે છે, તેમ છતાં તેઓ તેમના જૈવિક સમકક્ષોના આંતરિક રીતે નિયંત્રિત અનુકૂલનનો અભાવ ધરાવે છે. તેનાથી વિપરીત, અનુકૂલનને મોટા પાયે સોફ્ટ-રોબોટિક ઉપકરણોમાં એન્કોડ કરી શકાય છે પરંતુ કોલોઇડલ સ્કેલ પર સ્થાનાંતરિત કરવા માટે તે પ્રપંચી રહે છે. ગતિશીલ બેક્ટેરિયાની સર્વવ્યાપકતા અને સફળતા વિવિધ વાતાવરણમાં સ્વાયત્ત રીતે અનુકૂલન કરવાની તેમની ક્ષમતા સાથે મજબૂત રીતે જોડાયેલી છે કારણ કે તેઓ આંતરિક પ્રતિસાદ પદ્ધતિઓ દ્વારા તેમના આકાર, ચયાપચય અને ગતિશીલતાને ફરીથી ગોઠવી શકે છે. સમાન અનુકૂલન ક્ષમતાઓ અને સ્વાયત્ત વર્તન સાથે કૃત્રિમ માઇક્રોસ્વિમર્સને સમજવાથી શ્રેષ્ઠ પરિવહનથી લઈને સેન્સિંગ અને માઇક્રોબોટિક્સ સુધીની તકનીકોને નોંધપાત્ર અસર થઈ શકે છે. અનુકૂલન પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરીને, કોલૉઇડલ સ્કેલ પર પ્રવર્તમાન અભિગમો મોટે ભાગે બાહ્ય પ્રતિસાદ પર આધાર રાખે છે, કાં તો પ્રોપલ્શન વેગ અને દિશાના સ્પેટિઓટેમ્પોરલ મોડ્યુલેશન દ્વારા ગતિશીલતાને નિયંત્રિત કરવા અથવા સમાન ચુંબકીય અથવા વિદ્યુત ક્ષેત્રો દ્વારા આકારના ફેરફારોને પ્રેરિત કરવા માટે, જે કણોને પણ ચલાવી રહ્યા છે. તેનાથી વિપરીત, આંતરિક પ્રતિસાદ મિકેનિઝમ સાથે કૃત્રિમ માઇક્રોસ્વિમર્સને સમાપ્ત કરવું, જે પ્રોપલ્શનના સ્ત્રોતમાંથી અલગ થયેલા ઉત્તેજનાના જવાબમાં ગતિશીલતાને નિયંત્રિત કરે છે, તે એક પ્રપંચી કાર્ય છે. આ લક્ષ્ય હાંસલ કરવા માટેનો એક આશાસ્પદ માર્ગ કણના આકાર અને ગતિશીલતા વચ્ચેના જોડાણનો ઉપયોગ કરવાનો છે. દાખલા તરીકે, વિવિધ પ્રોપલ્શન સ્થિતિઓ વચ્ચે કાર્યક્ષમ સ્વિચિંગ, વિવિધ ભૂમિતિના સમપ્રમાણતા-તોડતા સક્રિય ક્લસ્ટરોના સ્વયંસ્ફુરિત એકત્રીકરણ દ્વારા પહોંચી શકાય છે, જો કે આ પ્રક્રિયામાં ઇચ્છિત નિર્ધારક નિયંત્રણ નથી. તેનાથી વિપરીત, નિશ્ચિત આકારો અને રચનાઓ સાથે કોલૉઇડલ ક્લસ્ટરોની રચના ગતિશીલતા પર સારું નિયંત્રણ આપે છે પરંતુ તેમાં અનુકૂલનનો અભાવ છે. સબ-મિલીમીટર સ્કેલ પર પુનઃરૂપરેખાંકિત કરી શકાય તેવા રોબોટ્સ પર પ્રગતિ થઈ હોવા છતાં, આ વિભાવનાઓને કોલોઇડલ સ્તર સુધી ઘટાડવાની વૈકલ્પિક બનાવટ અને ડિઝાઇનની જરૂર છે. સ્થાનિક ઉત્તેજનાના પ્રતિભાવમાં પૂર્વવ્યાખ્યાયિત માર્ગ સાથે પુનઃરૂપરેખાંકિત થતા આકાર બદલાતા કોલોઇડલ ક્લસ્ટરો અનુકૂલનશીલ કૃત્રિમ માઇક્રોસ્વિમર્સને સાકાર કરવાની દ્રષ્ટિ તરફ ઉચ્ચ ક્ષમતા સાથે બંને લાક્ષણિકતાઓને જોડશે. બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સ કહેવાતા બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમરને માઇક્રોસ્વિમર તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય છે જેમાં જૈવિક અને કૃત્રિમ બંને ભાગોનો સમાવેશ થાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, એક અથવા વિવિધ કૃત્રિમ ભાગો સાથે જોડાયેલા એક અથવા ઘણા જીવંત સુક્ષ્મસજીવો. બાયોહાઇબ્રિડ અભિગમ જીવંત સુક્ષ્મસજીવોને કાર્યાત્મક માઇક્રોસ્વિમરના મુખ્ય ઘટક અથવા સુધારેલા આધાર તરીકે સીધા જ રોજગારી આપે છે. શરૂઆતમાં સુક્ષ્મસજીવોને કૃત્રિમ ઉપકરણો માટે મોટર એકમો તરીકે ઉપયોગમાં લેવાતા હતા, પરંતુ તાજેતરના વર્ષોમાં આ ભૂમિકાને અન્ય કાર્યો તરફ વિસ્તૃત કરવામાં આવી છે અને તેમાં ફેરફાર કરવામાં આવ્યો છે જે અન્ય કોષો અને જીવંત પદાર્થો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરવાના તેમના માધ્યમોને ધ્યાનમાં રાખીને આ સજીવોની જૈવિક ક્ષમતાઓનો લાભ લે છે, ખાસ કરીને માનવ શરીરની અંદરના કાર્યક્રમો માટે જેમ કે દવા વિતરણ અથવા ગર્ભાધાન. સુક્ષ્મસજીવો એક વિશિષ્ટ ફાયદો એ છે કે તેઓ સ્વાભાવિક રીતે ગતિશીલતા અને વિવિધ જૈવિક કાર્યોને અનુકૂળ રીતે લઘુચિત્ર પેકેજમાં એકીકૃત કરે છે, જે સ્વાયત્ત સંવેદના અને નિર્ણય લેવાની ક્ષમતાઓ સાથે જોડાય છે. તેઓ વિવો વાતાવરણમાં સંકુલમાં અનુકૂલન અને વિકાસ કરવામાં સક્ષમ છે અને તેમની આસપાસના વાતાવરણ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પર સ્વ-સમારકામ અને સ્વ-ભેગા થવામાં સક્ષમ છે. તે અર્થમાં, આત્મનિર્ભર સુક્ષ્મસજીવો કુદરતી રીતે કૃત્રિમ રીતે બનાવેલા માઇક્રોબોટ્સ માટે આપણે જે કલ્પના કરીએ છીએ તેના જેવું જ કાર્ય કરે છેઃ તેઓ તેમની આસપાસના વિસ્તારોમાંથી રાસાયણિક ઊર્જાની લણણી કરે છે જે પરમાણુ મોટર પ્રોટીનને શક્તિ આપે છે જે એક્ચ્યુએટર્સ તરીકે કામ કરે છે, તેઓ આયન ચેનલો અને માઇક્રોટ્યુબ્યુલર નેટવર્કનો ઉપયોગ કરે છે જે ઇન્ટ્રાસેલ્યુલર વાયરિંગ તરીકે કામ કરે છે, તેઓ નિયંત્રણ અલ્ગોરિધમ્સ માટે મેમરી તરીકે આરએનએ અથવા ડીએનએ પર આધાર રાખે છે, અને તેઓ તેમની આસપાસના વાતાવરણને સમજવા અને મૂલ્યાંકન કરવા માટે વિવિધ પટલ પ્રોટીનની શ્રેણી ધરાવે છે. આ તમામ ક્ષમતાઓ સુક્ષ્મજીવાણુઓને ખીલવા અને તેમના ધ્યેય અને કાર્યને આગળ વધારવા માટે એકસાથે કાર્ય કરે છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે, આ ક્ષમતાઓ તેમને થેરાનોસ્ટિક્સ જેવી નવીન કામગીરીઓ માટે જૈવિક માઇક્રોબોટ્સ તરીકે પણ લાયક ઠરે છે, નિદાન અને ઉપચારનું સંયોજન, જો આપણે આવા કાર્યોને કૃત્રિમ રીતે લાદવામાં સક્ષમ હોઈએ, ઉદાહરણ તરીકે, ઉપચાર સાથે કાર્યાત્મકકરણ દ્વારા. વધુમાં, કૃત્રિમ વિસ્તરણોનો ઉપયોગ બાહ્ય નિયંત્રણ અને દેખરેખ પદ્ધતિઓ માટે હેન્ડલ્સ તરીકે અથવા ચોક્કસ કાર્યક્રમો માટે તેના કાર્યોને માર્ગદર્શન આપવા અને અનુરૂપ બનાવવા માટે સૂક્ષ્મજીવની કામગીરીને વધારવા માટે થઈ શકે છે. હકીકતમાં, બાયોહાઇબ્રિડ અભિગમની કલ્પના દ્વૈતવાદી રીતે કરી શકાય છે, જે ઇન વિવો માઇક્રોબોટના ત્રણ મૂળભૂત ઘટકોના સંદર્ભમાં છે, જે ગતિશીલતા, નિયંત્રણ અને કાર્યક્ષમતા છે. આકૃતિ 1 સમજાવે છે કે કેવી રીતે આ ત્રણ ઘટકોને જૈવિક રીતે, એટલે કે, સુક્ષ્મસજીવો દ્વારા, અથવા કૃત્રિમ રીતે, એટલે કે કૃત્રિમ ઘટક દ્વારા પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, શુક્રાણુ કોષ પર આધારિત સંકર બાયોમાઇક્રોમોટરને શુક્રાણુના ફ્લેજેલમ દ્વારા અથવા જોડાયેલ કૃત્રિમ હેલિકલ ફ્લેજેલમ દ્વારા ચલાવી શકાય છે. તે તેની આસપાસના અને અન્ય કોષો સાથે જૈવિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા સ્વાયત્ત રીતે પોતાને દિશા આપી શકે છે, અથવા કૃત્રિમ સેન્સર અને એક્ટ્યુએટર્સ દ્વારા બાહ્ય રીતે નિયંત્રિત અને નિરીક્ષણ કરી શકાય છે. છેવટે, તે જૈવિક કાર્ય કરી શકે છે, જેમ કે ઇંડાના કોષને ફળદ્રુપ કરવાની તેની સહજ ક્ષમતા, અથવા કૃત્રિમ રીતે લાદવામાં આવેલ કાર્ય, જેમ કે કૃત્રિમ દવાઓ અથવા ડીએનએ વેક્ટરની ડિલિવરી. બાયોહાઇબ્રિડ ઉપકરણ ચોક્કસ ઉપયોગ હાથ ધરવા માટે આવા જૈવિક અને કૃત્રિમ ઘટકોના કોઈપણ શક્ય સંયોજનને તૈનાત કરી શકે છે. નેવિગેશન હાઇડ્રોડાયનેમિક્સ માઇક્રોસ્વિમર નેવિગેશન માટે શ્રેષ્ઠ માર્ગ નક્કી કરી શકે છે, વિમાન અથવા ચંદ્ર લેન્ડર જેવા મેક્રોસ્કોપિક એજન્ટને લક્ષ્ય સુધી શ્રેષ્ઠ રીતે પહોંચવા માટે કેવી રીતે ચલાવવું તેની સારી રીતે શોધાયેલી સમસ્યાની તુલનામાં, દિવાલો અને અવરોધો સાથે હાઇડ્રોડાયનેમિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનો અનુભવ કરતા માઇક્રોસ્વિમર્સ માટે શ્રેષ્ઠ નેવિગેશન વ્યૂહરચનાઓ બહુ ઓછી સમજવામાં આવે છે. વધુમાં, માઇક્રોસ્વિમર્સના સસ્પેન્શનમાં હાઇડ્રોડાયનેમિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ જટિલ વર્તન ઉત્પન્ન કરે છે. લક્ષ્ય સુધી કેવી રીતે પહોંચવું અથવા શ્રેષ્ઠ રીતે પહોંચવું તે માટેની શોધ મહત્વપૂર્ણ છે, દા. ત., વિમાનો માટે અંતરિયાળ ગંતવ્ય તરફ જતા સમયે જટિલ પવનની પેટર્નનો સામનો કરતી વખતે બળતણ બચાવવા માટે, અથવા ચંદ્ર પર સુરક્ષિત રીતે ઉતરાણ કરવા માટે અવકાશ-એજન્ટના ભાગોની ગતિના સંકલન માટે. આ શાસ્ત્રીય સમસ્યાઓ સારી રીતે શોધવામાં આવે છે અને સામાન્ય રીતે શ્રેષ્ઠ નિયંત્રણ સિદ્ધાંતનો ઉપયોગ કરીને ઉકેલવામાં આવે છે. તેવી જ રીતે, નેવિગેશન અને શોધ વ્યૂહરચનાઓ ઘણી બધી જૈવિક પ્રણાલીઓમાં વારંવાર જોવા મળે છે, જેમાં ખોરાક માટે પ્રાણીઓને ચારો આપવા અથવા રોગપ્રતિકારક પ્રતિભાવ વધારવા માટે લક્ષ્યોની શોધ કરતા ટી કોષોનો સમાવેશ થાય છે. માઇક્રોસ્વિમર્સ અને "ડ્રાય" સક્રિય બ્રાઉનિયન કણોની શ્રેષ્ઠ નેવિગેશન સમસ્યાઓ અને શોધ વ્યૂહરચનાઓમાં રસ વધી રહ્યો છે, માઇક્રોસ્વિમરના શ્રેષ્ઠ માર્ગને લગતી સામાન્ય સમસ્યા જે મુક્તપણે ચલાવી શકે છે પરંતુ પૂર્વવ્યાખ્યાયિત લક્ષ્ય (પોઇન્ટ-ટુ-પોઇન્ટ નેવિગેશન) તરફ તેની ગતિને નિયંત્રિત કરી શકતી નથી તેને "શ્રેષ્ઠ માઇક્રોસ્વિમર નેવિગેશન સમસ્યા" તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. શ્રેષ્ઠ માઇક્રોસ્વિમર નેવિગેશન સમસ્યા અને એરોપ્લેન, ક્રૂઝ-શિપ અથવા મૂન-લેન્ડર્સ જેવા મેક્રોએજન્ટ્સ માટે પરંપરાગત શ્રેષ્ઠ નિયંત્રણ સમસ્યાઓ વચ્ચેના લાક્ષણિક તફાવતો માત્ર પહેલાની સમસ્યામાં ઓછા-રેનોલ્ડ્સ-નંબર દ્રાવકની હાજરીમાં મૂળ છે. તેમાં (i) ઓવરડેમ્પ્ડ ડાયનેમિક્સ, (ii) થર્મલ વધઘટ, અને (iii) ઇન્ટરફેસો, દિવાલો અને અવરોધો સાથે લાંબા અંતરની પ્રવાહી-મધ્યસ્થી હાઇડ્રોડાયનેમિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે, જે તમામ માઇક્રોસ્વિમર માટે લાક્ષણિકતા છે. ખાસ કરીને, બિન-રૂઢિચુસ્ત હાઇડ્રોડાયનેમિક બળો કે જે માઇક્રોસ્વિમર્સ અનુભવે છે તે રૂઢિચુસ્ત ગુરુત્વાકર્ષણીય બળો કરતાં અલગ નેવિગેશન વ્યૂહરચનાની માંગ કરે છે, દા. ત. અવકાશ વાહનો પર. તાજેતરના કાર્યમાં શુષ્ક સક્રિય કણો (અને બાહ્ય પ્રવાહ ક્ષેત્રોમાં કણો) ની શ્રેષ્ઠ નેવિગેશન સમસ્યાઓનું સંશોધન કરવામાં આવ્યું છે, જે (i) અને અંશતઃ (ii) માટે પણ જવાબદાર છે. ખાસ કરીને તાજેતરના સંશોધનોએ મજબૂતીકરણ શિક્ષણના ઉપયોગની પહેલ કરી છે જેમ કે સક્રિય કણોની શ્રેષ્ઠ સંચાલન વ્યૂહરચનાઓ નક્કી કરીને લક્ષ્ય સ્થિતિ તરફ શ્રેષ્ઠ રીતે નેવિગેટ કરવા અથવા સ્માર્ટ ગ્રેવિટેક્સિસ શીખીને ચોક્કસ પ્રવાહ માળખામાં ફસાયેલા રહેવાનું ટાળવા માટે બાહ્ય પ્રવાહ ક્ષેત્રોનો ઉપયોગ કરવો. ડીપ રિઇન્ફોર્સમેન્ટ લર્નિંગનો ઉપયોગ મેઝ અને અવરોધ એરેમાં માઇક્રોસ્વિમર નેવિગેશન સમસ્યાઓનું અન્વેષણ કરવા માટે કરવામાં આવે છે જે પર્યાવરણનું વૈશ્વિક અથવા માત્ર સ્થાનિક જ્ઞાન ધારણ કરે છે. શ્રેષ્ઠ સક્રિય કણ નેવિગેશન માટે વિશ્લેષણાત્મક અભિગમો આ કાર્યોને પૂરક બનાવે છે અને મશીન દ્વારા શીખેલા પરિણામોના પરીક્ષણને મંજૂરી આપે છે. સામાન્ય રીતે માઇક્રોટેકનોલોજી અને નેનોટેકનોલોજીની જેમ, માઇક્રોસ્વિમર એપ્લિકેશન્સનો ઇતિહાસ રિચર્ડ ફેનમેનના પ્રખ્યાત વ્યાખ્યાન 'દેર્સ પ્લેન્ટી ઓફ રૂમ એટ ધ બોટમ "થી શરૂ થાય છે. સ્વપ્નદ્રષ્ટા ભાષણમાં, અન્ય વિષયોની સાથે, ફેનમેને માઇક્રોસ્કોપિક સર્જનોના વિચારને સંબોધીને કહ્યુંઃ "જો તમે સર્જનને ગળી શકો તો તે શસ્ત્રક્રિયામાં રસપ્રદ રહેશે. તમે યાંત્રિક સર્જનને રક્ત વાહિનીની અંદર મૂકો છો અને તે હૃદયમાં જાય છે અને આસપાસ જાય છે (અલબત્ત માહિતી પૂરી પાડવી પડે છે). તે શોધે છે કે કયા વાલ્વમાં ખામી છે અને એક નાની છરી લે છે અને તેને કાપી નાખે છે. કેટલાક અપૂરતા કાર્યશીલ અંગને મદદ કરવા માટે અન્ય નાના મશીનો શરીરમાં કાયમી ધોરણે સમાવિષ્ટ થઈ શકે છે. વિજ્ઞાન-કાલ્પનિક ફિલ્મ ફેન્ટાસ્ટિક વોયેજ અને આઇઝેક અસિમોવના લખાણોમાં તરત જ સર્જનનો ખ્યાલ રજૂ કરવામાં આવ્યો હતો. માત્ર થોડા દાયકાઓ પછી, સાચા માઇક્રોસ્કેલ સર્જનો બનવાનું લક્ષ્ય ધરાવતા માઇક્રોસ્વિમર્સ વિશ્વભરની ઘણી સંશોધન પ્રયોગશાળાઓમાં શોધાયેલ રસપ્રદ વિજ્ઞાન-કાલ્પનિક ખ્યાલમાંથી વાસ્તવિકતામાં વિકસિત થયા, જેમ કે 2009 માં મેટિન સિટ્ટી દ્વારા પહેલેથી જ પ્રકાશિત કરવામાં આવ્યું હતું. આ સક્રિય એજન્ટો કે જે રેનોલ્ડ્સની ઓછી સંખ્યાના વાતાવરણમાં સ્વ-સંચાલન કરી શકે છે તે નેનોમેડિસિનના ભવિષ્યમાં મુખ્ય ભૂમિકા ભજવી શકે છે, જેમ કે 2016 માં યુવલ નોહ હરારી દ્વારા હોમો ડ્યૂસઃ એ બ્રીફ હિસ્ટ્રી ઓફ ટુમોરો માં લોકપ્રિય કરવામાં આવ્યું હતું. ખાસ કરીને, તેઓ જનીનો અથવા દવાઓ અને અન્ય માલસામાનને ચોક્કસ લક્ષ્ય સુધી પહોંચાડવા માટે ઉપયોગી થઈ શકે છે (દા. ત. એક કેન્સર કોષ) આપણી રક્તવાહિનીઓ દ્વારા, તેમને લક્ષ્ય તરફ સારો, અથવા આદર્શ રીતે શ્રેષ્ઠ, માર્ગ શોધવાની જરૂર પડે છે, ઉદાહરણ તરીકે, અવરોધો અને કમનસીબ પ્રવાહ ક્ષેત્ર પ્રદેશો. પહેલેથી જ 2010 માં, નેલ્સન એટ અલ. લઘુતમ આક્રમક દવામાં માઇક્રોરોબોટ્સની હાલની અને કલ્પના કરેલી એપ્લિકેશનોની સમીક્ષા કરી. ત્યારથી, આ ક્ષેત્ર વિકસ્યું છે, અને તે સ્પષ્ટ થઈ ગયું છે કે માઇક્રોસ્વિમર્સમાં બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશન્સ માટે ઘણી સંભાવના છે. પહેલેથી જ, અનુરૂપ માઇક્રોસ્વિમર્સનો ઉપયોગ કરીને ઘણા રસપ્રદ કાર્યો ઈન વિટ્રોમાં કરી શકાય છે. તેમ છતાં, 2020 સુધીમાં, માઇક્રોસ્વિમર્સ ઘણા ક્લિનિકલ એપ્લિકેશન્સ માટે વ્યવહારુ વિકલ્પ બની શકે તે પહેલાં વિવો નિયંત્રણ, બાયોકોમ્પેટિબિલિટી અને લાંબા ગાળાની બાયોસેફ્ટી સંબંધિત સંખ્યાબંધ પડકારોને દૂર કરવાની જરૂર છે. બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશન્સના વર્ગીકરણની યોજનાકીય રજૂઆત નીચે ડાબી બાજુના આકૃતિમાં દર્શાવવામાં આવી છે. આમાં ડ્રગ ડિલિવરી અને અન્ય બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશન્સમાં કાર્ગો પરિવહન માટે માઇક્રોસ્વિમર્સનો ઉપયોગ તેમજ સહાયિત ગર્ભાધાન, સેન્સિંગ, માઇક્રોમેનીપ્યુલેશન અને ઇમેજિંગનો સમાવેશ થાય છે. કેટલાક વધુ જટિલ માઇક્રોસ્વિમર્સ બહુવિધ વર્ગોમાં બંધબેસે છે, કારણ કે તેઓ એક સાથે સેન્સિંગ અને ડ્રગ ડિલિવરી માટે લાગુ કરવામાં આવે છે. તબીબી હસ્તક્ષેપ ક્ષમતાઓ સાથે વિવોમાં કાર્ય કરવા માટે અનટેથર માઇક્રોસ્કોપિક મોબાઇલ મશીન અથવા માઇક્રોરોબોટની ડિઝાઇન એક સંકલિત અભિગમ ધારણ કરવી જોઈએ જ્યાં ડિઝાઇન 3D બોડી આકાર, સામગ્રી રચના, ઉત્પાદન તકનીક, જમાવટ વ્યૂહરચના, સક્રિયકરણ અને નિયંત્રણ પદ્ધતિઓ, ઇમેજિંગ પદ્ધતિ, જૈવિક અવરોધોનું પારગમન, અને નિર્ધારિત તબીબી કાર્યોના અમલને સંપૂર્ણપણે ધ્યાનમાં લેવાની જરૂર છે, જેમ કે ઉપર જમણી બાજુના આકૃતિમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. આ દરેક આવશ્યક પાસામાં એક વિશેષ ડિઝાઇન વિચારણા છે, જે માઇક્રોબોટની ભૌતિક ડિઝાઇનમાં પ્રતિબિંબિત થવી જોઈએ. બાયોઇન્સ્પિરેશન બાયો-પ્રેરિત રોબોટિક્સ બાયો-પ્રેરિત ઇજનેરી ગ્રે ગૂ રોબોટિક શુક્રાણુ સોફ્ટ રોબોટિક્સ સ્ક્વિર્મર સંદર્ભો પણ જુઓ.