Biohybrid microswimmer
બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમરને માઇક્રોસ્વિમર તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય છે જેમાં જૈવિક અને કૃત્રિમ બંને ઘટકોનો સમાવેશ થાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, એક અથવા વિવિધ કૃત્રિમ ભાગો સાથે જોડાયેલા એક અથવા ઘણા જીવંત સુક્ષ્મસજીવો. તાજેતરના વર્ષોમાં નેનોસ્કોપિક અને મેસોસ્કોપિક પદાર્થોને પ્રકૃતિમાંથી સીધી પ્રેરણા દ્વારા અથવા તેના હાલના સાધનોનો ઉપયોગ કરીને સામૂહિક રીતે આગળ વધવા માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા છે. નાની મેસોસ્કોપિકથી નેનોસ્કોપિક પ્રણાલીઓ સામાન્ય રીતે ઓછી રેનોલ્ડ્સ સંખ્યાઓ પર કામ કરે છે અને તેમની ગતિને સમજવી પડકારજનક બની જાય છે. હલનચલન થાય તે માટે, પ્રણાલીની સમપ્રમાણતાને તોડવી આવશ્યક છે. વધુમાં, સામૂહિક ગતિ માટે સામૂહિક રચના કરતી સંસ્થાઓ વચ્ચે જોડાણ પદ્ધતિની જરૂર પડે છે. સ્વાર્મિંગ વર્તણૂક માટે સક્ષમ મેસોસ્કોપિકથી નેનોસ્કોપિક ઘટકો વિકસાવવા માટે, એવી ધારણા કરવામાં આવી છે કે ઘટકો સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત મોર્ફોલોજી સાથે તૂટેલી સમપ્રમાણતા દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે, અને ઊર્જા લણણી માટે સક્ષમ કેટલીક સામગ્રી સાથે સંચાલિત થાય છે. જો લણણી ઊર્જા પદાર્થની આસપાસના ક્ષેત્રમાં પરિણમે છે, તો આ ક્ષેત્ર પડોશી પદાર્થના ક્ષેત્ર સાથે જોડી શકે છે અને સામૂહિક વર્તણૂકમાં થોડું સંકલન લાવી શકે છે. આવા રોબોટિક ઝુંડને ઓનલાઇન નિષ્ણાત પેનલ દ્વારા રોબોટિક્સના ક્ષેત્રમાં 10 મહાન વણઉકેલાયેલા જૂથ પડકારોમાં વર્ગીકૃત કરવામાં આવ્યા છે. તેમ છતાં તેમની ક્રિયાની અંતર્ગત પદ્ધતિની તપાસ હજુ પણ તેની બાલ્યાવસ્થામાં છે, વિવિધ પ્રણાલીઓ વિકસાવવામાં આવી છે જે ઊર્જા (દા. ત., પ્રકાશ, થર્મલ, વગેરે) લણણી દ્વારા નિયંત્રિત અને અનિયંત્રિત સ્વાર્મિંગ ગતિમાંથી પસાર થવા માટે સક્ષમ છે. છેલ્લા એક દાયકામાં, બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોબોટ્સ, જેમાં જીવંત ગતિશીલ સુક્ષ્મસજીવો શારીરિક રીતે અસંબંધિત કૃત્રિમ માળખાઓ સાથે સંકલિત છે, તેમાં લક્ષ્ય સ્થળ સુધી સક્રિય હલનચલન અને કાર્ગો ડિલિવરીને સક્ષમ કરવા માટે રસ વધ્યો છે. ગતિશીલતા ઉપરાંત, કૃત્રિમ અને પર્યાવરણીય ફેરફારોને યોગ્ય પ્રતિસાદ મેળવવાની આંતરિક ક્ષમતાઓ કોષ-આધારિત બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોબોટ્સને નિદાન અને ઉપચારાત્મક એજન્ટોના સ્થાનિક સક્રિય વિતરણ માટે માનવ શરીરના અપ્રાપ્ય પોલાણમાં કાર્ગોના પરિવહન માટે આકર્ષક બનાવે છે. પૃષ્ઠભૂમિ બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સને માઇક્રોસ્વિમર્સ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય છે જેમાં જૈવિક અને કૃત્રિમ બંને ઘટકોનો સમાવેશ થાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, એક અથવા વિવિધ કૃત્રિમ ભાગો સાથે જોડાયેલા એક અથવા ઘણા જીવંત સુક્ષ્મસજીવો. આ ક્ષેત્રના અગ્રણીઓ, તેમના સમયથી આગળ, મોન્ટેમેગ્નો અને બચંદ હતા, જેમણે 1999માં નેનોફેબ્રિકેટેડ સબસ્ટ્રેટ્સ સાથે જૈવિક અણુઓના ચોક્કસ જોડાણ વ્યૂહરચનાઓ સંબંધિત કામ કર્યું હતું, જે વર્ણસંકર અકાર્બનિક/કાર્બનિક નેનોઇલેક્ટ્રોમિકેનિકલ સિસ્ટમોની તૈયારીને સક્ષમ કરે છે, જેને એનઇએમએસ કહેવામાં આવે છે. તેઓએ ઇલેક્ટ્રોન બીમ લિથોગ્રાફી દ્વારા ઉત્પાદિત સોના, તાંબુ અથવા નિકલની નેનોએરે પેટર્ન પર સ્થિર F1-ATPase બાયોમોલેક્યુલર મોટર્સની તૈયારી માટે થર્મોફિલિક બેક્ટેરિયા બેસિલસ પીએસ 3 માંથી મોટી માત્રામાં F1-ATPase ના ઉત્પાદનનું વર્ણન કર્યું. આ પ્રોટીન કૃત્રિમ પેપ્ટાઇડ સાથે ટેગ કરેલા એક માઇક્રોન માઇક્રોસ્ફિયર સાથે જોડાયેલા હતા. પરિણામે, તેઓએ રાસાયણિક રીતે સક્રિય સ્થળો સાથે પ્લેટફોર્મની તૈયારી અને બાયોમોલેક્યુલર મોટર્સની ઊર્જાને ઉપયોગી કાર્યમાં રૂપાંતરિત કરવામાં સક્ષમ બાયોહાઇબ્રિડ ઉપકરણોના વિકાસને પૂર્ણ કર્યો. વિજ્ઞાનમાં સૌથી મૂળભૂત પ્રશ્નોમાંથી એક એ છે કે જીવનની વ્યાખ્યા શું છે. સામૂહિક ગતિ એ જીવનની લાક્ષણિકતાઓમાંની એક છે. આ સામાન્ય રીતે પ્રકૃતિમાં વિવિધ પરિમાણીય સ્તરે જોવા મળે છે કારણ કે સક્રિય ઘટકો એક સંકલિત પ્રયાસમાં ગતિશીલ સંકલિત પેટર્નમાં ભેગા થાય છે. આ ગતિશીલ સંકલિત ઘટનાઓને અન્ય ઘણા લોકો વચ્ચે, ગતિશીલ ઝુંડ તરીકે જોઇ શકાય છે; દા. ત., એકકોશિક સજીવો જેમ કે બેક્ટેરિયા, તીડના ઝુંડ અથવા પક્ષીઓની ઘેટાના ટોળાની વર્તણૂક. 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 વમળ પડવું અને જડતા દ્વારા આ ઘટનાઓ વચ્ચે કિનારે આવવું. 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. બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સના તાજેતરના પ્રકાશનોમાં જૈવિક ઘટકો તરીકે શુક્રાણુ કોષો, સંકોચક સ્નાયુ કોષો અને બેક્ટેરિયાનો ઉપયોગ સામેલ છે, કારણ કે તેઓ રાસાયણિક ઊર્જાને અસરકારક રીતે ગતિમાં રૂપાંતરિત કરી શકે છે, અને વધુમાં પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓના આધારે જટિલ ગતિ કરવા માટે સક્ષમ છે. આ અર્થમાં, બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર પ્રણાલીઓને વિવિધ કાર્યાત્મક ઘટકોના સંયોજન તરીકે વર્ણવી શકાય છેઃ કાર્ગો અને વાહક. કાર્ગો એ કસ્ટમાઇઝ્ડ રીતે ખસેડવા (અને સંભવતઃ મુક્ત કરવા) માટે રસ ધરાવતું તત્વ છે. વાહક એ બાયોહાઇબ્રિડની હિલચાલ માટે જવાબદાર ઘટક છે, જે ઇચ્છિત કાર્ગોનું પરિવહન કરે છે, જે તેની સપાટી સાથે જોડાયેલ છે. આમાંની મોટાભાગની પ્રણાલીઓ લક્ષિત દવા વિતરણ માટે કૃત્રિમ કાર્ગોના પરિવહન માટે જૈવિક ગતિશીલ પ્રોપલ્શન પર આધાર રાખે છે/વિપરીત કેસના ઉદાહરણો પણ છેઃ જૈવિક કાર્ગો પ્રણાલીઓ સાથે કૃત્રિમ માઇક્રોસ્વિમર્સ. છેલ્લા એક દાયકામાં, બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોબોટ્સ, જેમાં જીવંત ગતિશીલ સુક્ષ્મસજીવો શારીરિક રીતે અસંબંધિત કૃત્રિમ માળખાઓ સાથે સંકલિત છે, તેમાં લક્ષ્ય સ્થળ સુધી સક્રિય હલનચલન અને કાર્ગો ડિલિવરીને સક્ષમ કરવા માટે રસ વધ્યો છે. ગતિશીલતા ઉપરાંત, કૃત્રિમ અને પર્યાવરણીય ફેરફારોને યોગ્ય પ્રતિસાદ મેળવવાની આંતરિક ક્ષમતાઓ કોષ-આધારિત બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોબોટ્સને નિદાન અને ઉપચારાત્મક એજન્ટોના સ્થાનિક સક્રિય વિતરણ માટે માનવ શરીરના અપ્રાપ્ય પોલાણમાં કાર્ગોના પરિવહન માટે આકર્ષક બનાવે છે. સક્રિય લોકોમોશન, લક્ષ્યાંક અને મોબાઇલ માઇક્રોબોટ્સમાં જડિત કેન્દ્રિત ઉપચારાત્મક અને નિદાન એજન્ટોનું સંચાલન પરંપરાગત ઉપચાર પદ્ધતિઓના હાલના પડકારોને દૂર કરી શકે છે. આ માટે, બેક્ટેરિયાનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે જોડાયેલા મણકા અને ભૂત કોષો સાથે કરવામાં આવે છે. બેક્ટેરિયલ બાયોહાઇબ્રિડ્સ કૃત્રિમ સૂક્ષ્મ અને નેનોસ્વિમર્સ નાના પાયે ઉપકરણો છે જે ઊર્જાને ગતિમાં રૂપાંતરિત કરે છે. 2002માં તેમની કામગીરીનું પ્રથમ પ્રદર્શન થયું ત્યારથી, આ ક્ષેત્રે નવી તૈયારી પદ્ધતિઓ, પ્રોપલ્શન વ્યૂહરચનાઓ, ગતિ નિયંત્રણ અને કલ્પનાશીલ કાર્યક્ષમતાના સંદર્ભમાં ઝડપથી વિકાસ થયો છે. આ ક્ષેત્ર દવા વિતરણ, પર્યાવરણીય ઉપચાર અને સંવેદના જેવી એપ્લિકેશનો માટે વચન ધરાવે છે. આ ક્ષેત્રનું પ્રારંભિક ધ્યાન મોટાભાગે કૃત્રિમ પ્રણાલીઓ પર હતું, પરંતુ સાહિત્યમાં "બાયોહાઇબ્રિડ" ની વધતી સંખ્યા દેખાઈ રહી છે. કૃત્રિમ અને જૈવિક ઘટકોનું સંયોજન નવી, સારી રીતે નિયંત્રિત માઇક્રોસ્વિમર કાર્યક્ષમતાઓ મેળવવા માટે એક આશાસ્પદ વ્યૂહરચના છે, કારણ કે જીવંત સજીવોના આવશ્યક કાર્યો આંતરિક રીતે ખસેડવાની ક્ષમતા સાથે સંબંધિત છે. તમામ સ્કેલના જીવંત પ્રાણીઓ પર્યાવરણીય ઉત્તેજના (દા. ત., તાપમાન અથવા પીએચ) ના પ્રતિભાવમાં, ખાદ્ય સ્રોતો શોધવા, પ્રજનન કરવા અથવા શિકારીઓથી બચવા માટે આગળ વધે છે. વધુ જાણીતી જીવંત સૂક્ષ્મ પ્રણાલીઓમાંની એક સ્વિમિંગ બેક્ટેરિયા છે, પરંતુ નિર્દેશિત ગતિ પરમાણુ સ્કેલ પર પણ થાય છે, જ્યાં જૈવિક કાર્યો હાથ ધરવા માટે ઉત્સેચકો અને પ્રોટીન રચનાત્મક ફેરફારોમાંથી પસાર થાય છે. સ્વિમિંગ બેક્ટેરિયલ કોષોનો ઉપયોગ હાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સના વિકાસમાં કરવામાં આવે છે. બેક્ટેરિયાના કોષો સાથે કાર્ગો જોડાણ તેમની તરવાની વર્તણૂકને પ્રભાવિત કરી શકે છે. સ્વાર્મિંગ સ્થિતિમાં બેક્ટેરિયલ કોષોનો ઉપયોગ હાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સના વિકાસમાં પણ કરવામાં આવે છે. સ્વાર્મિંગ સેરેટિયા માર્સેસેન્સ કોષોને પી. ડી. એમ. એસ.-કોટેડ કવરસ્લિપ્સમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવ્યા હતા, પરિણામે લેખકો દ્વારા "બેક્ટેરિયલ કાર્પેટ" તરીકે ઓળખાતી રચનામાં પરિણમ્યું હતું. આ બેક્ટેરિયલ કાર્પેટના અલગ આકારના સપાટ ટુકડાઓ, જેને "ઓટો-મોબાઇલ ચિપ્સ" કહેવામાં આવે છે, તે બે પરિમાણોમાં માઇક્રોસ્કોપ સ્લાઇડની સપાટીની ઉપર ખસેડવામાં આવ્યા હતા. અન્ય ઘણી કૃતિઓમાં સંકર માઇક્રોસ્વિમર્સના વિકાસ માટે સેરેટિયા માર્સેસેન્સ સ્વાર્મિંગ કોષો, તેમજ ઇ. કોલી સ્વાર્મિંગ કોષોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. મેગ્નેટોટેક્ટિક બેક્ટેરિયા બાયોહાઇબ્રિડ ગતિ પ્રણાલીઓમાં તેમના બહુમુખી ઉપયોગોને કારણે વિવિધ અભ્યાસોનું કેન્દ્ર છે. પ્રોટેસ્ટ બાયોહાઇબ્રિડ્સ એલ્ગલ ક્લેમીડોમોનાસ રીનહાર્ડ્ટી એ એકકોશિકીય લીલો માઇક્રોઆલ્ગા છે. જંગલી પ્રકારનો સી. રીન્હાર્ડ્ટી ગોળાકાર આકાર ધરાવે છે જેનો સરેરાશ વ્યાસ લગભગ 10 માઇક્રોન મીટર હોય છે. આ સુક્ષ્મસજીવો દૃશ્યમાન પ્રકાશને સમજી શકે છે અને તેના દ્વારા (એટલે કે, ફોટોટેક્સિસ) 100-200 μms−1 ની રેન્જમાં ઊંચી સ્વિમિંગ ઝડપ સાથે સંચાલિત થઈ શકે છે. તેમાં કુદરતી ઓટોફ્લોરોસેન્સ છે જે લેબલ-મુક્ત ફ્લોરોસન્ટ ઇમેજિંગને મંજૂરી આપે છે. સી. રીનહાર્ડ્ટીને ઉપચારશાસ્ત્રના સક્રિય વિતરણ માટે બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોબોટ્સના જીવંત ઘટક તરીકે સક્રિય રીતે શોધવામાં આવી છે. તેઓ તંદુરસ્ત સસ્તન કોષો સાથે બાયોકોમ્પેટિબલ છે, કોઈ જાણીતા ઝેર છોડતા નથી, શારીરિક રીતે સંબંધિત માધ્યમોમાં ગતિશીલ છે, અને કોષની દિવાલ પર માલ વહન કરવા માટે સપાટીના ફેરફારને મંજૂરી આપે છે. ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ અને સહસંયોજક બંધન દ્વારા ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતી સપાટીઓમાં ફેરફાર કરીને એસેમ્બલી માટે સી. રીન્હાર્ડ્ટી માટે વૈકલ્પિક જોડાણ વ્યૂહરચનાઓ પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવી છે. રોબોકોલિથની સામૂહિક ગતિ એ જીવનની લાક્ષણિકતાઓમાંની એક છે. વ્યક્તિગત રીતે જે પરિપૂર્ણ થાય છે તેનાથી વિપરીત, બહુવિધ સંસ્થાઓ દરેક સહભાગી વચ્ચે સ્થાનિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓને નિકટતામાં થવા માટે સક્ષમ બનાવે છે. જો આપણે સામૂહિક વર્તણૂકમાં દરેક સહભાગીને (બાયો) ભૌતિક ટ્રાન્સડ્યુસર તરીકે ધ્યાનમાં લઈએ, તો ઊર્જા એક પ્રકારમાંથી બીજા પ્રકારમાં રૂપાંતરિત થશે. પ્રોક્સેમિક્સ પછી ઊર્જાના ટ્રાન્સડક્શન દ્વારા પડોશી વ્યક્તિઓ વચ્ચે ઉન્નત સંચારની તરફેણ કરશે, જે સંયુક્ત સંચાલિત માળખાના ગતિશીલ અને જટિલ સહક્રિયાત્મક વર્તણૂકો તરફ દોરી જશે. તાજેતરના વર્ષોમાં નેનોસ્કોપિક અને મેસોસ્કોપિક પદાર્થોને પ્રકૃતિમાંથી સીધી પ્રેરણા દ્વારા અથવા તેના હાલના સાધનોનો ઉપયોગ કરીને સામૂહિક રીતે આગળ વધવા માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા છે. આવા રોબોટિક ઝુંડને ઓનલાઇન નિષ્ણાત પેનલ દ્વારા રોબોટિક્સના ક્ષેત્રમાં 10 મહાન વણઉકેલાયેલા જૂથ પડકારોમાં વર્ગીકૃત કરવામાં આવ્યા હતા. તેમ છતાં તેમની ક્રિયાની અંતર્ગત પદ્ધતિની તપાસ હજુ પણ તેની બાલ્યાવસ્થામાં છે, વિવિધ પ્રણાલીઓ વિકસાવવામાં આવી છે જે ઊર્જા (દા. ત., પ્રકાશ, થર્મલ, વગેરે) લણણી દ્વારા નિયંત્રિત અને અનિયંત્રિત સ્વાર્મિંગ ગતિમાંથી પસાર થવા માટે સક્ષમ છે. મહત્ત્વની વાત એ છે કે, આ ઊર્જાને પ્રણાલીને ખસેડવા માટે ચોખ્ખા બળમાં રૂપાંતરિત કરવી જોઈએ. નાની મેસોસ્કોપિકથી નેનોસ્કોપિક પ્રણાલીઓ સામાન્ય રીતે ઓછી રેનોલ્ડ્સ સંખ્યાઓ પર કામ કરે છે અને તેમની ગતિને સમજવી પડકારજનક બની જાય છે. હલનચલન થાય તે માટે, પ્રણાલીની સમપ્રમાણતા broken.14 હોવી આવશ્યક છે વધુમાં, સામૂહિક ગતિ માટે સામૂહિક રચના કરતી સંસ્થાઓ વચ્ચે જોડાણ પદ્ધતિની જરૂર પડે છે. સ્વાર્મિંગ વર્તણૂક માટે સક્ષમ મેસોસ્કોપિકથી નેનોસ્કોપિક ઘટકો વિકસાવવા માટે, એવી ધારણા કરવામાં આવી છે કે ઘટકો સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત મોર્ફોલોજી સાથે તૂટેલી સમપ્રમાણતા દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે, અને ઊર્જા લણણી માટે સક્ષમ કેટલીક સામગ્રી સાથે સંચાલિત થાય છે. જો લણણી ઊર્જા પદાર્થની આસપાસના ક્ષેત્રમાં પરિણમે છે, તો આ ક્ષેત્ર પડોશી પદાર્થના ક્ષેત્ર સાથે જોડી શકે છે અને સામૂહિક વર્તણૂકમાં થોડું સંકલન લાવી શકે છે. એમિલિયાનિયા હક્સલેઈ (EHUX) કોક્કોલિથોફોર-વ્યુત્પન્ન અસમપ્રમાણતાવાળા કોક્કોલિથ્સ તૂટેલી સમપ્રમાણતા અને સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત આકારવિજ્ઞાન સાથે નેનો/મેસોસ્કોપિક પદાર્થની પસંદગી માટેના ઉમેદવાર તરીકે અલગ પડે છે. તેમની કેલ્સાઇટ રચનાને કારણે થર્મોડાયનેમિકલ સ્થિરતા ઉપરાંત, EHUX કોક્કોલિથનો નિર્ણાયક ફાયદો તેમની વિશિષ્ટ અને અત્યાધુનિક અસમપ્રમાણ મોર્ફોલોજી છે. ઇ. એચ. યુ. એક્સ. કોક્કોલિથને કેન્દ્રીય વીંટી દ્વારા જોડાયેલી નિકટવર્તી અને દૂરસ્થ ડિસ્ક બનાવવા માટે મૂકવામાં આવેલી કેટલીક હેમર-હેડ પાંસળીઓ દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. આ ડિસ્કના કદ અલગ અલગ હોય છે પરંતુ તે કોક્કોલિથને વળાંક પણ આપે છે, જે અંશતઃ વેગન વ્હીલ જેવું જ હોય છે. EHUX કોક્કોલિથોફોર્સમાંથી EHUX કોક્કોલિથોફોર્સને અલગ કરી શકાય છે, જે એકકોશિક દરિયાઈ શેવાળનું એક અનોખું જૂથ છે જે સમુદ્રમાં જૈવિક કેલ્સાઇટના પ્રાથમિક ઉત્પાદકો છે. કોક્કોલિથોફોર્સ અંતઃકોશિક રીતે જટિલ ત્રિ-પરિમાણીય ખનિજ માળખાઓનું ઉત્પાદન કરી શકે છે, જેમ કે કેલ્શિયમ કાર્બોનેટ સ્કેલ (એટલે કે, કોક્કોલિથ્સ), એક એવી પ્રક્રિયામાં જે સતત વિશિષ્ટ વેસિકલ દ્વારા ચલાવવામાં આવે છે. પ્રક્રિયા પૂર્ણ થયા પછી, રચાયેલા કોક્કોલિથ કોષની સપાટી પર સ્ત્રાવ થાય છે, જ્યાં તેઓ એક્સોસ્કેલેટન (એટલે કે, કોક્કોસ્ફિયર) બનાવે છે. કોક્કોલિથ સ્થાપત્યની વ્યાપક વિવિધતા નેનો ટેકનોલોજી અથવા બાયોમેડિસિનમાં ચોક્કસ ઉપયોગો માટે વધુ શક્યતાઓમાં પરિણમે છે. EHUX જીવંત કોક્કોલિથોફોર્સમાંથી નિર્જીવ કોક્કોલિથ્સ, ખાસ કરીને, ઓછા સંવર્ધન ખર્ચ અને ઝડપી પ્રજનન દર સાથે પ્રયોગશાળામાં સરળતાથી અલગ કરી શકાય છે અને વ્યાજબી રીતે મધ્યમ સપાટી વિસ્તાર (~ 20 m2/g) ધરાવે છે જે મેસોપોરસ માળખું (4 nm ની રેન્જમાં છિદ્રનું કદ) દર્શાવે છે. સંભવતઃ, જો EHUX કોક્કોલિથની બંને બાજુએ ઊર્જાની લણણી કરવામાં આવે, તો તે ચોખ્ખું બળ પેદા કરવાની મંજૂરી આપશે, જેનો અર્થ થાય છે દિશાત્મક રીતે હિલચાલ. કોક્કોલિથમાં સંખ્યાબંધ ઉપયોગો માટે અપાર સંભાવના છે, પરંતુ ઊર્જાની લણણીને સક્ષમ કરવા માટે, તેમની સપાટીના ગુણધર્મોને સારી રીતે ગોઠવવાની જરૂર છે. મસલમાં એડહેસિવ પ્રોટીનની રચનાથી પ્રેરિત, પોલીડોપામાઇનમાં ડોપામાઇન સ્વ-પોલિમરાઇઝેશન હાલમાં વર્ચ્યુઅલ રીતે તમામ પ્રકારની સામગ્રી માટે સૌથી સર્વતોમુખી કાર્યાત્મક વ્યૂહરચના છે. તેની સપાટીના રસાયણશાસ્ત્ર અને પ્રકાશ શોષણ ગુણધર્મોની વિશાળ શ્રેણીને કારણે, પોલીડોપામાઇન નિષ્ક્રિય સબસ્ટ્રેટ્સ પર સહાયિત ઊર્જા લણણી કાર્ય માટે એક આદર્શ પસંદગી છે. આ કાર્યમાં, અમારું લક્ષ્ય પોલીડોપામાઇન કોટિંગના લાભોનો ઉપયોગ કરવાનો છે જેથી અન્યથા નિષ્ક્રિય અને નિર્જીવ કોક્કોલિથ્સને અદ્યતન ઊર્જા લણણીની કાર્યક્ષમતા પ્રદાન કરી શકાય. નિયર-ઇન્ફ્રારેડ (એન. આઈ. આર.) પ્રકાશ ઉત્તેજના હેઠળ 2 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધીના પદાર્થ અને આસપાસના જલીય દ્રાવણ વચ્ચે થર્મલ પ્રસરણ અસરોને કારણે પોલીડોપામાઇન (પી. ડી. એ.) પોલિસ્ટરીન મણકાની હિલચાલને પ્રેરિત કરે છે તેવું પહેલેથી જ દર્શાવવામાં આવ્યું છે. જો કે, કોઈ સામૂહિક વર્તન નોંધાયું નથી. અહીં, અમે પ્રથમ વખત સાબિત કરીએ છીએ કે પોલીડોપામાઇન દૃશ્યમાન પ્રકાશ (300-600 nm) હેઠળ, કોક્કોલિથ જેવા માળખાકીય રીતે જટિલ, કુદરતી અને પડકારજનક-થી-નિયંત્રણ માળખાના સામૂહિક વર્તનને પ્રેરિત કરવા માટે સક્રિય ઘટક તરીકે કાર્ય કરી શકે છે. પરિણામે, કાર્બનિક-અકાર્બનિક સંકર સંયોજન (કોક્કોલિથ-પોલીડોપામાઇન) રોબોકોલિથની રચનાને સક્ષમ બનાવશે. ડોપામાઇન પોલિમરાઇઝેશન દ્રાવણમાં આગળ વધે છે, જ્યાં તે નાના કોલોઇડલ એકત્રીકરણ બનાવે છે જે કોક્કોલિથની સપાટી પર શોષાય છે, જે એક સંમિશ્રિત ફિલ્મ બનાવે છે. આ ફિલ્મ ઉચ્ચ કઠોરતા દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, જે ઉચ્ચ ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર અને ઊર્જાની ઉન્નત લણણીમાં અનુવાદ કરે છે. પોલિમર બેકબોનની સંયુગ્મિત પ્રકૃતિને કારણે, પોલીડોપામાઇન દૃશ્યમાન પ્રદેશ સહિત વ્યાપક ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સ્પેક્ટ્રમ પર પ્રકાશને શોષી શકે છે. પરિણામે, કોક્કોલિથની સપાટી ફોટોથર્મલ અસરથી સંપન્ન છે, સ્થાનિક રીતે ગરમ થાય છે અને પીડીએની હાજરી દ્વારા પ્રેરિત સંવહન બનાવે છે. આ સ્થાનિક સંવહન નજીકના અન્ય સ્થાનિક સંવહન સાથે જોડાયેલું છે, જે વ્યક્તિગત રોબોકોલિથ્સ વચ્ચે જોડાણને મંજૂરી આપે છે, જે તેમની સામૂહિક ગતિને સક્ષમ કરે છે (આકૃતિ 1). તેથી, જ્યારે પ્રકાશ એનિસોમેટ્રિક રોબોકોલિથ્સનો સામનો કરે છે, ત્યારે તેઓ તેમની સપાટી પર પી. ડી. એ. ની હાજરી દ્વારા પ્રેરિત ફોટોથર્મલ રૂપાંતરણને કારણે સ્થાનિક રીતે ગરમ થાય છે. તીવ્ર સ્થાનિક ગરમી રોબોકોલિથની બંને બાજુએ અલગ સંવહન ઉત્પન્ન કરે છે, જે તેની અવલોકન હિલચાલનું કારણ બને છે. આવા સંવહનને પડોશી રોબોકોલિથના સંવહન સાથે જોડી શકાય છે, જેના પરિણામે "સ્વાર્મિંગ" ગતિ થાય છે. વધુમાં, રોબોકોલિથની સપાટી એન્ટીફુલિંગ પોલિમર બ્રશ સમાવવા અને સંભવિત રીતે તેમના એકત્રીકરણને રોકવા માટે રચાયેલ છે. રોબોકોલિથની ગતિને સમજવા માટે પ્રથમ પગલું તરીકે પ્રાથમિક પ્રકાશ-સક્રિય સંવહન અભિગમ અપનાવવામાં આવ્યો હોવા છતાં, બાયો-માઇક્રો મશીનોના ઝુંડ તરીકે મલ્ટિફંક્શનલ રોબોકોલિથની આગામી પેઢી માટે માર્ગ મોકળો કરવા માટે હાલમાં ઘણા યાંત્રિક અભિગમો વિકસાવવામાં આવી રહ્યા છે. બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશન્સ બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સ, મુખ્યત્વે સંકલિત જૈવિક એક્ચ્યુએટર્સ અને સિન્થેટિક કાર્ગો કેરિયર્સથી બનેલા છે, તાજેતરમાં લઘુત્તમ આક્રમક થેરાનોસ્ટિક એપ્લિકેશન્સ તરફ વચન દર્શાવ્યું છે. બેક્ટેરિયા, માઇક્રોએલગી અને શુક્રાણુઓ સહિતના વિવિધ સુક્ષ્મસજીવો, અદ્યતન તબીબી કાર્યો સાથે વિવિધ બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સ બનાવવા માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે, જેમ કે લક્ષ્યાંક બનાવવા માટે પર્યાવરણીય ઉત્તેજનાઓ સાથે સ્વાયત્ત નિયંત્રણ, સાંકડા અંતરાયો દ્વારા નેવિગેશન અને ગાંઠના વાતાવરણના નેક્રોટિક પ્રદેશોમાં સંચય. ધ્વનિ અથવા ચુંબકીય ક્ષેત્રો જેવા લાંબા અંતરના લાગુ બાહ્ય ક્ષેત્રો સાથે કૃત્રિમ કાર્ગો વાહકોની સંચાલનક્ષમતા અને કેમોઆટ્રેક્ટન્ટ્સ, પીએચ અને ઓક્સિજન જેવા વિવિધ પર્યાવરણીય ઉત્તેજનાઓ તરફ જૈવિક એક્ટ્યુએટર્સની આંતરિક ટેક્સી વર્તણૂકો, બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સને તબીબી સક્રિય કાર્ગો વિતરણ કાર્યક્રમોની વ્યાપક શ્રેણી માટે આશાસ્પદ ઉમેદવાર બનાવે છે. નીચા રેનોલ્ડ્સ (રી) નંબર ફ્લો શાસનમાં બેક્ટેરિયાની તરવાની ઝડપ અને કાર્યક્ષમતા વધારે હોય છે, તેઓ બાહ્ય પર્યાવરણીય સંકેતોને સંવેદના અને પ્રતિસાદ આપવા માટે સક્ષમ હોય છે, અને ફ્લોરોસન્સ અથવા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઇમેજિંગ તકનીકો દ્વારા બાહ્ય રીતે શોધી શકાય છે. તેમની અંતર્ગત સંવેદના ક્ષમતાઓને કારણે, વિવિધ બેક્ટેરિયાની પ્રજાતિઓની સંભવિત ગાંઠ વિરોધી એજન્ટો તરીકે તપાસ કરવામાં આવી છે અને તે પ્રીક્લિનિકલ અને ક્લિનિકલ પરીક્ષણોનો વિષય છે. માનવ શરીરમાં વિવિધ બેક્ટેરિયાની પ્રજાતિઓની હાજરી, જેમ કે ત્વચા અને આંતરડાના સૂક્ષ્મ પર્યાવરણ પર, ઘણા તબીબી કાર્યક્રમોમાં સંભવિત થેરાનોસ્ટિક એજન્ટો અથવા વાહકો તરીકે તેમના ઉપયોગને પ્રોત્સાહન આપ્યું છે. બીજી બાજુ, લાલ રક્તકણો (આર. બી. સી.) જેવા વિશિષ્ટ યુકેરીયોટિક કોષો, ઉચ્ચ પેલોડ કાર્યક્ષમતા, વિકૃતિ, અધોગતિ અને જૈવિક સુસંગતતા સાથે પ્રકૃતિના સૌથી કાર્યક્ષમ નિષ્ક્રિય વાહકોમાંના એક છે, અને તેનો ઉપયોગ વિવિધ તબીબી કાર્યક્રમોમાં પણ કરવામાં આવે છે. આરબીસી અને આરબીસી-વ્યુત્પન્ન નેનોવેસિકલ, જેમ કે નેનોએરીથ્રોસોમ્સ, શરીરમાં લાગુ કરાયેલા પદાર્થોના પરિભ્રમણ સમયને વધારવા માટે અને યકૃત, બરોળ અને લસિકા ગાંઠોમાં જોવા મળતા વિવિધ રોગોની સારવાર માટે વિવિધ બાયોએક્ટિવ પદાર્થો પહોંચાડવા માટે નિષ્ક્રિય કાર્ગો વાહકો તરીકે સફળતાપૂર્વક અપનાવવામાં આવ્યા છે, અને નસમાં, ઇન્ટ્રાપેરિટોનિયલ, સબકુટેનીયસ અને ઇન્હેલેશનલ માર્ગો દ્વારા વહીવટ દ્વારા કેન્સર પણ. દાખલા તરીકે, ઉંદરમાં નસમાં ઈન્જેક્શન પહેલાં આરબીસીના પટલ સાથે જોડાયેલા હોય ત્યારે રોગપ્રતિકારક કોષો દ્વારા દવાથી ભરેલા કણોની ઓળખમાં ઘટાડો જોવા મળ્યો હતો. વધુમાં, જ્યારે આર. બી. સી. પર સંયોજિત કરવામાં આવે ત્યારે નેનોકેરિયર્સની બદલાયેલી બાયોએક્યુમ્યુલેશન રૂપરેખા દર્શાવવામાં આવી હતી, જે લક્ષિત અવયવોમાં નેનોકેરિયર્સના વિતરણને વેગ આપે છે. એવું પણ નોંધવામાં આવ્યું હતું કે પલ્મોનરી ધમની હાયપરટેન્શન માટેની દવા ફસુદિલનું અર્ધ-જીવન, જ્યારે તેને નેનોએરીથ્રોસોમ્સમાં લોડ કરવામાં આવે ત્યારે શરીરની અંદર લગભગ છ ગણું વધીને આઠ ગણું થાય છે. આર. બી. સી. ના ઉત્કૃષ્ટ માલવાહક ગુણધર્મોએ પણ બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર ડિઝાઇનમાં તેમના ઉપયોગ માટે રસ વધાર્યો છે. તાજેતરમાં, ધ્વનિ તરંગો અને ચુંબકીય ક્ષેત્રોનો ઉપયોગ કરીને સક્રિય નેવિગેશન અને દવા અને સુપરપેરામેગ્નેટિક નેનોપાર્ટિકલ (સ્પિયોન)-લોડેડ આરબીસીનું નિયંત્રણ રજૂ કરવામાં આવ્યું હતું. સક્રિય કાર્ગો વિતરણ કાર્યક્રમો માટે ગતિશીલ બેક્ટેરિયા દ્વારા સંચાલિત સોફ્ટ બાયોહાઇબ્રિડ માઇક્રોસ્વિમર્સના બનાવટમાં આરબીસીનો વધુ ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. દવાના અણુઓ અને એસ. પી. આઈ. ઓ. એન. થી ભરેલા આર. બી. સી. ને બેક્ટેરિયા દ્વારા ચલાવવામાં આવતા હતા અને ચુંબકીય ક્ષેત્રો દ્વારા સંચાલિત કરવામાં આવતા હતા, જે આર. બી. સી. ની અંતર્ગત ઉચ્ચ વિકૃતિશીલતાને કારણે તેમના કદ કરતા નાના અંતરાયોમાંથી પસાર થવામાં પણ સક્ષમ હતા. સંદર્ભો માઇક્રોસ્વિમર્સ સુક્ષ્મસજીવો રોબોટિક્સ