Microswimmer
एक माइक्रोस्विमर एक सूक्ष्म वस्तु है जिसमें तरल वातावरण में चलने की क्षमता होती है। प्राकृतिक सूक्ष्मजीव प्राकृतिक दुनिया में हर जगह जैविक सूक्ष्मजीवों के रूप में पाए जाते हैं, जैसे बैक्टीरिया, आर्किया, प्रोटिस्ट, शुक्राणु और सूक्ष्मजीव। सहस्राब्दी की शुरुआत के बाद से सिंथेटिक और बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर के निर्माण में रुचि बढ़ रही है। हालाँकि उनके उद्भव को केवल दो दशक बीत चुके हैं, लेकिन उन्होंने पहले ही विभिन्न जैव चिकित्सा और पर्यावरणीय अनुप्रयोगों के लिए प्रतिबद्धता दिखाई है। इस क्षेत्र की हाल की प्रकृति को देखते हुए, सूक्ष्म वस्तुओं के नामकरण के लिए साहित्य में अभी तक कोई आम सहमति नहीं है, इस लेख को "माइक्रोस्विमर्स" के रूप में संदर्भित किया गया है। कई वैकल्पिक नामों में से ऐसी वस्तुओं को साहित्य में दिया गया है, माइक्रोस्विमर, माइक्रो/नैनोरोबोट और माइक्रो/नैनोमोटर संभवतः सबसे अधिक बार पाए जाते हैं। अन्य सामान्य शब्द अधिक वर्णनात्मक हो सकते हैं, जिसमें वस्तु के आकार के बारे में जानकारी शामिल है, उदाहरण के लिए, माइक्रोट्यूब या माइक्रोहेलिक्स, इसके घटक, उदाहरण के लिए, बायोहाइब्रिड, स्पर्मबोट, बैक्टीरियाबॉट, या माइक्रो-बायो-रोबोट, या व्यवहार, उदाहरण के लिए, माइक्रोरॉकेट, माइक्रोबलेट, माइक्रोटूल या माइक्रोरोलर। शोधकर्ताओं ने अपने विशिष्ट माइक्रोस्विमर जैसे मेडिबॉट्स, हेयरबॉट्स, आईमुशबॉट्स, आयरनस्पर्म, टीबॉट्स, बायोबॉट्स, टी-बडबॉट्स या एमओएफबीओटीएस के नाम भी दिए हैं। पृष्ठभूमि 1828 में, ब्रिटिश जीवविज्ञानी रॉबर्ट ब्राउन ने पानी में पराग की लगातार हिलती गति की खोज की और अपने लेख "ए ब्रीफ अकाउंट ऑफ माइक्रोस्कोपिक ऑब्जर्वेशन" में अपनी खोज का वर्णन किया, जिससे इस गति की उत्पत्ति के बारे में विस्तृत वैज्ञानिक चर्चा हुई। इस पहेली को 1905 में ही हल किया गया था, जब अल्बर्ट आइंस्टीन ने अपना प्रसिद्ध निबंध über die von der molekularkinetishen Theorie der Wárme gefordte Bewegung von in ruhenden Flussigkeiten معطلی Teilchen प्रकाशित किया था। आइंस्टीन ने न केवल शांत तरल पदार्थों में निलंबित कणों के प्रसार का अनुमान लगाया, बल्कि यह भी सुझाव दिया कि इन निष्कर्षों का उपयोग कण के आकार को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है-एक अर्थ में, वह दुनिया के पहले सूक्ष्मजीवविज्ञानी थे। जब से न्यूटन ने अपने गति के समीकरणों को स्थापित किया है, सूक्ष्म पैमाने पर गति का रहस्य वैज्ञानिक इतिहास में अक्सर सामने आया है, जैसा कि प्रसिद्ध रूप से कुछ लेखों द्वारा प्रदर्शित किया गया है जिन पर संक्षेप में चर्चा की जानी चाहिए। सबसे पहले, ओसबोर्न रेनॉल्ड्स द्वारा लोकप्रिय एक आवश्यक अवधारणा यह है कि एक तरल पदार्थ की गति के लिए जड़ता और चिपचिपाहट का सापेक्ष महत्व विचाराधीन प्रणाली के कुछ विवरणों पर निर्भर करता है। उनके सम्मान में नामित रेनॉल्ड्स संख्या, इस तुलना को विशेषता जड़त्वीय और चिपचिपा बलों के आयामहीन अनुपात के रूप में निर्धारित करती हैः यहाँ, तरल पदार्थ के घनत्व का प्रतिनिधित्व करता है; प्रणाली का एक विशेषता वेग है (उदाहरण के लिए, एक तैराकी कण का वेग); एक विशेषता लंबाई पैमाना है (जैसे, तैराक का आकार); और तरल पदार्थ की चिपचिपाहट है। निलंबित तरल पदार्थ को पानी मानते हुए, और प्रयोगात्मक रूप से देखे गए मानों का उपयोग करते हुए, यह निर्धारित किया जा सकता है कि मछली (= 100) जैसे मैक्रोस्कोपिक तैराकों के लिए जड़ता महत्वपूर्ण है, जबकि चिपचिपाहट बैक्टीरिया (= 10−4) जैसे माइक्रोस्केल तैराकों की गति पर हावी है। माइक्रोमीटर पैमाने पर तैराकी के लिए चिपचिपाहट का अत्यधिक महत्व तैराकी रणनीति के लिए गहरा प्रभाव डालता है। ई. एम. पर्सेल द्वारा इस पर यादगार चर्चा की गई है, जिन्होंने पाठक को सूक्ष्मजीवों की दुनिया में आमंत्रित किया और सैद्धांतिक रूप से उनकी गति की स्थितियों का अध्ययन किया। सबसे पहले, बड़े पैमाने पर तैराकों की प्रणोदन रणनीतियों में अक्सर आवधिक असतत घटनाओं में आसपास के तरल पदार्थ को गति प्रदान करना शामिल होता है, जैसे कि भंवर झड़ना, और जड़ता के माध्यम से इन घटनाओं के बीच तट बनाना। यह बैक्टीरिया जैसे माइक्रोस्केल तैराकों के लिए प्रभावी नहीं हो सकता हैः बड़े चिपचिपे आर्द्रता के कारण, एक माइक्रोन आकार की वस्तु का जड़त्वीय तट समय 1 माइक्रोन के क्रम पर होता है। एक विशिष्ट गति से आगे बढ़ने वाले सूक्ष्मजीव की तटवर्ती दूरी लगभग 0.1 एंग्स्ट्रॉम्स (Å) है। पर्सेल ने निष्कर्ष निकाला कि केवल वर्तमान क्षण में एक सूक्ष्म पिण्ड पर लगाए गए बल ही इसके प्रणोदन में योगदान करते हैं, इसलिए एक निरंतर ऊर्जा रूपांतरण विधि आवश्यक है। सूक्ष्मजीवों ने निरंतर ऊर्जा उत्पादन के लिए अपने चयापचय को अनुकूलित किया है, जबकि विशुद्ध रूप से कृत्रिम माइक्रोस्विमर (माइक्रोबॉट) को पर्यावरण से ऊर्जा प्राप्त करनी चाहिए, क्योंकि उनकी ऑन-बोर्ड भंडारण क्षमता बहुत सीमित है। ऊर्जा के निरंतर अपव्यय के एक और परिणाम के रूप में, जैविक और कृत्रिम माइक्रोस्विमर संतुलन सांख्यिकीय भौतिकी के नियमों का पालन नहीं करते हैं, और गैर-संतुलन गतिकी द्वारा वर्णित किए जाने की आवश्यकता है। गणितीय रूप से, पर्सेल ने नेवियर-स्टोक्स समीकरण को लेकर और जड़त्वीय शब्दों को समाप्त करके कम रेनॉल्ड्स संख्या के निहितार्थ की खोज कीः द्रव का वेग कहाँ है और दबाव का ढाल कहाँ है। जैसा कि पर्सेल ने उल्लेख किया है, परिणामी समीकरण-स्टोक्स समीकरण-में कोई स्पष्ट समय निर्भरता नहीं है। इसके कुछ महत्वपूर्ण परिणाम हैं कि कैसे एक निलंबित शरीर (जैसे, एक जीवाणु) आवधिक यांत्रिक गतियों या विकृतियों (जैसे, एक फ्लैजेलम) के माध्यम से तैर सकता है। सबसे पहले, माइक्रोस्विमर और आसपास के तरल पदार्थ की गति के लिए गति की दर व्यावहारिक रूप से अप्रासंगिक हैः गति की दर को बदलने से तरल पदार्थ और माइक्रोस्विमर के वेगों का पैमाना बदल जाएगा, लेकिन यह तरल पदार्थ के प्रवाह के पैटर्न को नहीं बदलेगा। दूसरा, यांत्रिक गति की दिशा को उलटने से प्रणाली में सभी वेगों को उलट दिया जाएगा। स्टोक्स समीकरण के ये गुण व्यवहार्य तैराकी रणनीतियों की सीमा को गंभीर रूप से प्रतिबंधित करते हैं। एक ठोस चित्रण के रूप में, एक गणितीय स्कैलप पर विचार करें जिसमें एक काज से जुड़े दो कठोर टुकड़े होते हैं। क्या "स्कैलप" समय-समय पर काज को खोलकर और बंद करके तैर सकता है? नहीं, इस बात की परवाह किए बिना कि खुलने और बंद करने का चक्र समय पर कैसे निर्भर करता है, स्कैलप हमेशा चक्र के अंत में अपने प्रारंभिक बिंदु पर वापस आ जाएगा। यहाँ हड़ताली उद्धरण की उत्पत्ति हुईः "तेज या धीमा, यह बिल्कुल अपने प्रक्षेपवक्र को वापस लेता है और यह वापस आ जाता है जहाँ से यह शुरू हुआ था।" इस स्कैलप प्रमेय के आलोक में, पर्सेल ने इस बारे में दृष्टिकोण विकसित किए कि सूक्ष्म पैमाने पर कृत्रिम गति कैसे उत्पन्न की जा सकती है। यह पेपर चल रही वैज्ञानिक चर्चा को प्रेरित करना जारी रखता है; उदाहरण के लिए, मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर इंटेलीजेंट सिस्टम्स के फिशर समूह द्वारा हाल ही में किए गए काम ने प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की कि स्कैलप सिद्धांत केवल न्यूटोनियन तरल पदार्थों के लिए मान्य है। प्रकार विभिन्न प्रकार के माइक्रोस्विमर विभिन्न तरीकों से संचालित और सक्रिय होते हैं। व्यक्तिगत माइक्रोस्विमरों के साथ-साथ माइक्रोस्विमरों के झुंडों के लिए तैराकी रणनीतियों की वर्षों से जांच की गई है। आमतौर पर, माइक्रोस्विमर या तो बाहरी शक्ति स्रोतों पर निर्भर करते हैं, क्योंकि यह चुंबकीय, ऑप्टिक या ध्वनिक नियंत्रण के लिए होता है, या अपने आसपास उपलब्ध ईंधन का उपयोग करते हैं, जैसा कि बायोहाइब्रिड या उत्प्रेरक माइक्रोस्विमर के मामले में होता है। चुंबकीय और ध्वनिक सक्रियण आमतौर पर इन विवो माइक्रोस्विमर हेरफेर के साथ संगत होते हैं और उत्प्रेरक माइक्रोस्विमर को विशेष रूप से विवो ईंधन में नियोजित करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है। जैविक तरल पदार्थों या विवो में प्रकाशिक बलों का उपयोग अधिक चुनौतीपूर्ण है, लेकिन दिलचस्प उदाहरण फिर भी प्रदर्शित किए गए हैं। अक्सर, शोधकर्ता या तो पूरे माइक्रोस्विमर डिजाइन के लिए, या एक वांछित प्रणोदन प्रकार प्राप्त करने के लिए प्रकृति से प्रेरणा लेने का विकल्प चुनते हैं। उदाहरण के लिए, पहले जैव-प्रेरित सूक्ष्मजीवों में से एक में मानव लाल रक्त कोशिकाएं शामिल थीं, जिन्हें बायोटिन-स्ट्रेप्टाविडिन अंतःक्रियाओं के माध्यम से बंधे चुंबकीय कणों के तंतुओं से बने फ्लैजेलम जैसे कृत्रिम घटक के साथ संशोधित किया गया था। हाल ही में, कृमि जैसी यात्रा तरंग विशेषताओं, झींगा लोकोमोशन और बैक्टीरियल रन-एंड-टम्बल गति से प्रेरित बायोमिमेटिक तैराकी को आकार के प्रकाश का उपयोग करके प्रदर्शित किया गया था। एक अलग प्रकृति-प्रेरित दृष्टिकोण बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर का उपयोग है। इनमें एक जीवित घटक और एक कृत्रिम घटक शामिल हैं। जैव संकर अक्सर विभिन्न जैविक प्रणालियों की सूक्ष्म-स्तरीय गति का लाभ उठाते हैं और जीवित घटक की विशेषता वाले अन्य व्यवहारों का भी उपयोग कर सकते हैं। मैग्नेटिक बायोइनस्पायर्ड और बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर्स के लिए, विशिष्ट मॉडल जीव बैक्टीरिया, शुक्राणु कोशिकाएं और मैग्नेटोटैक्टिक कोशिकाएं हैं। चुंबकीय बलों के उपयोग के अलावा, ध्वनिक उत्तेजना या प्रकाशिक बलों का उपयोग करके जैव-प्रेरित माइक्रोस्विमरों के सक्रियण का भी प्रदर्शन किया गया था। प्रकाशिक बलों से संबंधित एक अन्य प्रकृति-प्रेरित व्यवहार फोटोटैक्सिस है, जिसका उपयोग कार्गो-ले जाने वाले सूक्ष्मजीवों, सिंथेटिक माइक्रोस्विमर या बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर द्वारा किया जा सकता है। हाल के कई समीक्षा पत्र माइक्रोस्विमर एक्चुएशन में उपयोग की जाने वाली मौजूदा प्रणोदन और नियंत्रण रणनीतियों को समझाने या उनकी तुलना करने पर केंद्रित हैं। मैग्नेटिक एक्चुएशन को अक्सर नियंत्रित इन विवो गाइडिंग के लिए शामिल किया जाता है, यहां तक कि माइक्रोस्विमर के लिए भी जो एक अलग प्रकार के प्रणोदन पर निर्भर करते हैं। 2020 में, कोलिओसो एट अल। जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए चुंबकीय छोटे पैमाने के रोबोटों के उपयोग की समीक्षा की और ऐसे उद्देश्यों के लिए विकसित विभिन्न चुंबकीय क्षेत्रों और सक्रियण प्रणालियों के बारे में विवरण प्रदान किया। माइक्रोस्विमर के निर्माण के लिए रणनीतियों में दो-फोटॉन पोलीमराइजेशन 3डी प्रिंटिंग, फोटोलिथोग्राफी, टेम्पलेट-सहायता प्राप्त इलेक्ट्रोडिपोजिशन, या विभिन्न रणनीतियों का उपयोग करके एक निर्जीव घटक के साथ एक जीवित घटक का बंधन शामिल है। हाल के दृष्टिकोण 4 डी प्रिंटिंग का उपयोग करते हैं, जो उत्तेजना-उत्तरदायी सामग्री का 3 डी प्रिंटिंग है। आगे के कार्यात्मककरण की अक्सर आवश्यकता होती है, या तो एक निश्चित प्रकार के सक्रियण को सक्षम करने के लिए, उदाहरण के लिए, चुंबकीय नियंत्रण या थर्मोप्लाजमोनिक प्रतिक्रियाओं के लिए धातु कोटिंग, या अनुप्रयोग के हिस्से के रूप में, यदि कुछ विशेषताओं की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, संवेदन, माल परिवहन, पर्यावरण के साथ नियंत्रित बातचीत, या जैव क्षरण। प्राकृतिक माइक्रोस्विमर गतिशील प्रणालियाँ प्राकृतिक दुनिया में समय और लंबाई के पैमाने पर विकसित हुई हैं जो परिमाण के कई क्रमों में फैली हुई हैं, और आत्म-प्रणोदन के लिए इष्टतम रणनीतियों को प्राप्त करने और उच्च चिपचिपाहट बलों और ब्राउनियन गति के प्रभावों को दूर करने के लिए शारीरिक और शारीरिक रूप से विकसित हुई हैं, जैसा कि दाईं ओर आरेख में दिखाया गया है। कुछ सबसे छोटी ज्ञात प्राकृतिक गतिशील प्रणालियाँ मोटर प्रोटीन हैं, अर्थात, कोशिकाओं में मौजूद प्रोटीन और प्रोटीन परिसर जो रासायनिक ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करके विभिन्न प्रकार के शारीरिक कार्यों को करते हैं। इन मोटर प्रोटीनों को मायोसिन, काइनेसिन या डाइनिन के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। मायोसिन मोटर मांसपेशियों के संकुचन और पटरियों के रूप में कार्गोसिंग एक्टिन फिलामेंट्स के परिवहन के लिए जिम्मेदार हैं। दूसरी ओर, डाइनिन मोटर और काइनेसिन मोटर, कोशिका में पुटिकाओं को ले जाने के लिए सूक्ष्म नलिकाओं का उपयोग करते हैं। रासायनिक ऊर्जा को गति में बदलने के लिए ये प्रोटीन मोटर जिस तंत्र का उपयोग करते हैं, वह ए. टी. पी. हाइड्रोलिसिस पर निर्भर करता है, जो गोलाकार मोटर क्षेत्र में एक संरचना संशोधन की ओर ले जाता है, जिससे निर्देशित गति होती है। मोटर प्रोटीन के अलावा, पारंपरिक रूप से जैव रासायनिक प्रक्रियाओं में अपने उत्प्रेरक कार्यों के लिए पहचाने जाने वाले एंजाइम नैनोस्केल मशीनों के रूप में कार्य कर सकते हैं जो आणविक आयाम पर रासायनिक ऊर्जा को यांत्रिक क्रिया में परिवर्तित करते हैं। विभिन्न एंजाइमों का प्रसार (जैसे। फ्लोरोसेंट कोरिलेटेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफ. सी. एस.) द्वारा मापा जाने वाला यूरियस और कैटालेस), सब्सट्रेट-निर्भर तरीके से बढ़ता है। इसके अलावा, जब एंजाइम झिल्ली से बंधे होते हैं, तो उनकी उत्प्रेरक क्रियाएँ लिपिड पुटिका आंदोलन को चला सकती हैं। उदाहरण के लिए, ट्रांसमेम्ब्रेन एडेनोसिन 5 '-ट्राइफॉस्फेट, मेम्ब्रेन-बाउंड एसिड फॉस्फेट, या यूरियस जैसे एंजाइमों के साथ एकीकृत लिपिड वेसिकल्स एंजाइमेटिक टर्नओवर दर के साथ सहसंबद्ध गतिशीलता को बढ़ाते हैं। बैक्टीरिया को मोटे तौर पर दो मौलिक रूप से अलग-अलग समूहों, ग्राम-पॉजिटिव और ग्राम-नेगेटिव बैक्टीरिया में विभाजित किया जा सकता है, जो उनके कोशिका लिफाफे की वास्तुकला से अलग हैं। प्रत्येक मामले में कोशिका लिफाफा एक जटिल बहुस्तरीय संरचना है जो कोशिका को उसके वातावरण से बचाती है। ग्राम-पॉजिटिव बैक्टीरिया में, साइटोप्लाज्मिक झिल्ली केवल पेप्टिडोग्लाइकन की एक मोटी कोशिका दीवार से घिरी होती है। इसके विपरीत, ग्राम-नकारात्मक बैक्टीरिया का आवरण अधिक जटिल होता है और इसमें (अंदर से बाहर तक) साइटोप्लाज्मिक झिल्ली, पेप्टिडोग्लाइकन की एक पतली परत और एक अतिरिक्त बाहरी झिल्ली होती है, जिसे लिपोपॉलीसेकेराइड परत भी कहा जाता है। अन्य जीवाणु कोशिका सतह संरचनाएँ अव्यवस्थित कीचड़ परतों से लेकर अत्यधिक संरचित कैप्सूल तक होती हैं। ये स्रावित पतले या चिपचिपे पॉलीसेकेराइड या प्रोटीन से बने होते हैं जो कोशिकाओं को सुरक्षा प्रदान करते हैं और पर्यावरण के सीधे संपर्क में होते हैं। उनके अन्य कार्य हैं, जिनमें ठोस सतहों से लगाव शामिल है। इसके अतिरिक्त, प्रोटीन उपांग सतह पर मौजूद हो सकते हैंः फिंब्रिया और पिली की लंबाई और व्यास अलग-अलग हो सकते हैं और उनके कार्यों में आसंजन और हिलाने की गतिशीलता शामिल है। विशेष रूप से, जलीय वातावरण में रहने वाले सूक्ष्मजीवों के लिए, गति तैराकी को संदर्भित करता है, और इसलिए दुनिया तैरने वाले सूक्ष्मजीवों के विभिन्न वर्गों से भरी हुई है, जैसे कि बैक्टीरिया, शुक्राणु, प्रोटोजोआ और शैवाल। बैक्टीरिया फ्लैजेला नामक बालों जैसे तंतुओं के घूर्णन के कारण चलते हैं, जो बैक्टीरिया कोशिका भित्ति पर एक प्रोटीन मोटर परिसर में लंगर डालते हैं। श्वार्ज़ और अन्य, 2017 पर आधारित निम्नलिखित तालिका में प्राकृतिक या जैविक माइक्रोस्विमर के कुछ उदाहरण सूचीबद्ध किए गए हैं। सिंथेटिक माइक्रोस्विमर वर्तमान इंजीनियरिंग चुनौतियों में से एक लघु कार्यात्मक वाहनों का निर्माण करना है जो छोटे पैमाने पर जटिल कार्यों को पूरा कर सकते हैं जो अन्यथा अव्यावहारिक, अक्षम या पारंपरिक तरीकों से पूरी तरह से असंभव होंगे। इन वाहनों को नैनो/माइक्रोमोटर या नैनो/माइक्रोबॉट कहा जाता है, और इन्हें एक तरफ ऊर्जा, कंप्यूटिंग या अन्य अनुप्रयोगों के लिए छोटी आणविक मशीनों और इस आकार के पैमाने के दूसरी तरफ स्थिर माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमईएमएस) से भी अलग किया जाना चाहिए। एक चिप पर इलेक्ट्रॉनिक उपकरण होने के बजाय, माइक्रोमोटर एक तरल माध्यम के माध्यम से स्वतंत्र रूप से आगे बढ़ने में सक्षम होते हैं, जबकि उन्हें बाहरी रूप से या आंतरिक रूप से निर्देशित किया जाता है, जिसे विभिन्न तंत्रों, सबसे महत्वपूर्ण उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं, चुंबकीय क्षेत्रों या अल्ट्रासोनिक तरंगों द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। विभिन्न प्रकार के संवेदन, सक्रियण, या पिकअप-एंड-डिलीवरी अनुप्रयोग हैं जिन्हें वैज्ञानिक वर्तमान में लक्षित कर रहे हैं, जिसमें कैंसर के उपचार के लिए स्थानीय दवा लक्ष्यीकरण अधिक प्रमुख उदाहरणों में से एक है। इस तरह के अनुप्रयोगों के लिए, एक माइक्रोमोटर को एक विश्वसनीय तंत्र के साथ कुशलतापूर्वक नियंत्रित और निर्देशित तीन आयामों में स्वतंत्र रूप से चलने, यानी तैरने में सक्षम होने की आवश्यकता होती है। यह माइक्रोस्विमरों के छोटे आकार के पैमाने का सीधा परिणाम है कि उनकी रेनॉल्ड्स संख्या कम है। इसका मतलब है कि सूक्ष्म तैराकों के तैरने के तरीके की भौतिकी पर चिपचिपे खिंचाव बलों का प्रभुत्व है, एक ऐसी समस्या जिस पर इस क्षेत्र में भौतिकविदों द्वारा व्यापक रूप से चर्चा की गई है। इस तरह की तैराकी ने इंजीनियरों को चुनौती दी है क्योंकि यह आमतौर पर रोजमर्रा की जिंदगी में अनुभव नहीं किया जाता है, लेकिन फिर भी शुक्राणु या कुछ बैक्टीरिया जैसे गतिशील सूक्ष्मजीवों के लिए प्रकृति में देखा जा सकता है। स्वाभाविक रूप से, इन सूक्ष्मजीवों ने शुरू से ही कृत्रिम माइक्रोमोटर बनाने के लिए प्रेरणा के रूप में काम किया, क्योंकि वे उन चुनौतियों का सामना करने में सक्षम थे जिनका सामना एक सक्रिय, आत्मनिर्भर माइक्रोस्विमर वाहन को करना पड़ता है। बायोमिमेटिक दृष्टिकोण के साथ, शोधकर्ता अपने संबंधित फ्लैजेलम आकार को पुनः उत्पन्न करके और इसे चुंबकीय क्षेत्रों के साथ सक्रिय करके शुक्राणु और एस्चेरिचिया कोलाई बैक्टीरिया की फ्लैजेला-आधारित गति रणनीति का अनुकरण करने में सक्षम थे। सूक्ष्मजीवों ने विभिन्न तैराकी रणनीति का आह्वान करके कम रेनॉल्ड्स संख्या व्यवस्था के कठोर वातावरण में अपनी गति को अनुकूलित किया है। उदाहरण के लिए, ई. कोलाई अपने पेचदार फ्लैजेलम को घुमाकर चलता है, क्लैमाइडोमोनास फ्लैजेला में एक प्रकार की ब्रेस्टस्ट्रोक गति होती है। अफ्रीकी ट्राइपेनोसोम में कोशिका शरीर से जुड़ा एक पेचदार फ्लैजेलम होता है जिसके माध्यम से एक समतलीय तरंग गुजरती है। इस तरह के प्राकृतिक तैराकों की तैराकी की जांच पिछली आधी सदी से की जा रही है। इन अध्ययनों के परिणामस्वरूप, कृत्रिम तैराकों को भी प्रस्तावित किया गया है, जैसे टेलर शीट, पर्सेल के दो-अँगुली तैराक, तीन-जुड़े गोले तैराक, लोचदार दो-गोले तैराक और एक निष्क्रिय लोचदार भुजा के साथ तीन-गोले, जिन्होंने कम रेनॉल्ड्स संख्या वाले तैराकों के बारे में समझ को और बढ़ाया है। एक कृत्रिम तैराक के प्रस्ताव में चुनौतियों में से एक इस तथ्य में निहित है कि प्रस्तावित आंदोलन स्ट्रोक पारस्परिक नहीं होना चाहिए अन्यथा यह स्कैलप प्रमेय के कारण खुद को आगे नहीं बढ़ा सकता है। स्कैलप प्रमेय में, पर्सेल ने तर्क दिया था कि एक-छड़ी या एक डिग्री की स्वतंत्रता वाला तैराक पारस्परिक गति करने के लिए बाध्य है और इस प्रकार वह स्टोक्स शासन में तैरने में सक्षम नहीं होगा। पर्सेल ने स्कैलप प्रमेय से बचने के लिए दो संभावित तरीकों का प्रस्ताव रखा, एक 'कॉर्कस्क्रू' गति है और दूसरा 'लचीली पतवार' गति है। लचीले पतवार की अवधारणा का उपयोग करते हुए, ड्रेफस और अन्य ने एक सूक्ष्म तैराक की सूचना दी जो पैरामैग्नेटिक मोतियों से बने एक पतले फिलामेंट के लोचदार गुण का फायदा उठाता है। समय व्युत्क्रम समरूपता को तोड़ने के लिए, एक निष्क्रिय सिर को लचीली भुजा से जोड़ा गया था। निष्क्रिय सिर लचीले तैराक के वेग को कम कर देता है, सिर जितना बड़ा होता है, तैराक द्वारा अनुभव किया जाने वाला खिंचाव बल उतना ही अधिक होता है। तैरने के लिए सिर आवश्यक है क्योंकि इसके बिना पूंछ एक पारस्परिक गति करती है और तैराक का वेग शून्य हो जाता है। पुनःसंयोजन योग्य सिंथेटिक या कृत्रिम सूक्ष्मचर्मकों को आंतरिक प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है आत्म-प्रणोदक सूक्ष्म कणों को अक्सर जैविक सूक्ष्मचर्मकों के लिए सिंथेटिक मॉडल के रूप में प्रस्तावित किया जाता है, फिर भी उनमें अपने जैविक समकक्षों के आंतरिक रूप से विनियमित अनुकूलन का अभाव होता है। इसके विपरीत, अनुकूलन को बड़े पैमाने पर सॉफ्ट-रोबोटिक उपकरणों में कूटबद्ध किया जा सकता है लेकिन कोलॉइडल पैमाने पर स्थानांतरित करने के लिए मायावी रहता है। गतिशील बैक्टीरिया की सर्वव्यापीता और सफलता विभिन्न वातावरणों के लिए स्वायत्त रूप से अनुकूलन करने की उनकी क्षमता से दृढ़ता से जुड़ी हुई है क्योंकि वे आंतरिक प्रतिक्रिया तंत्र के माध्यम से अपने आकार, चयापचय और गतिशीलता को फिर से कॉन्फ़िगर कर सकते हैं। समान अनुकूलन क्षमताओं और स्वायत्त व्यवहार के साथ कृत्रिम माइक्रोस्विमर को महसूस करना इष्टतम परिवहन से लेकर संवेदन और माइक्रोबोटिक्स तक की तकनीकों को काफी हद तक प्रभावित कर सकता है। अनुकूलन पर ध्यान केंद्रित करते हुए, कोलॉइडल पैमाने पर मौजूदा दृष्टिकोण ज्यादातर बाहरी प्रतिक्रिया पर निर्भर करते हैं, या तो प्रणोदन वेग और दिशा के स्पेटिओटेम्पोरल मॉड्यूलेशन के माध्यम से गतिशीलता को नियंत्रित करने के लिए या उसी चुंबकीय या विद्युत क्षेत्रों के माध्यम से आकार परिवर्तन को प्रेरित करने के लिए, जो कणों को भी चला रहे हैं। इसके विपरीत, एक आंतरिक प्रतिक्रिया तंत्र के साथ कृत्रिम माइक्रोस्विमर प्रदान करना, जो प्रणोदन के स्रोत से अलग होने वाली उत्तेजनाओं के जवाब में गतिशीलता को नियंत्रित करता है, एक मायावी कार्य बना हुआ है। इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए एक आशाजनक मार्ग कण आकार और गतिशीलता के बीच युग्मन का लाभ उठाना है। उदाहरण के लिए, विभिन्न प्रणोदन अवस्थाओं के बीच कुशल परिवर्तन, अलग-अलग ज्यामिति के समरूपता-तोड़ने वाले सक्रिय समूहों के सहज एकत्रीकरण द्वारा प्राप्त किया जा सकता है, हालांकि इस प्रक्रिया में वांछित नियतात्मक नियंत्रण नहीं है। इसके विपरीत, निश्चित आकारों और रचनाओं के साथ कोलॉइडल समूहों को डिजाइन करना गतिशीलता पर अच्छा नियंत्रण प्रदान करता है लेकिन अनुकूलन का अभाव है। हालांकि उप-मिलीमीटर पैमाने पर पुनर्संयोजन योग्य रोबोटों पर प्रगति की गई है, इन अवधारणाओं को कोलॉइडल स्तर तक कम करने के लिए वैकल्पिक निर्माण और डिजाइन की आवश्यकता होती है। स्थानीय उत्तेजनाओं के जवाब में एक पूर्वनिर्धारित मार्ग के साथ आकार बदलने वाले कोलॉइडल समूह दोनों विशेषताओं को जोड़ेंगे, जिसमें अनुकूली कृत्रिम माइक्रोस्विमर को साकार करने की दृष्टि की उच्च क्षमता होगी। बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर तथाकथित बायोहाइब्रिड माइक्रोस्विमर को एक माइक्रोस्विमर के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिसमें जैविक और कृत्रिम दोनों भाग होते हैं, उदाहरण के लिए, एक या कई जीवित सूक्ष्मजीव एक या विभिन्न सिंथेटिक भागों से जुड़े होते हैं। बायोहाइब्रिड दृष्टिकोण सीधे जीवित सूक्ष्मजीवों को एक कार्यात्मक माइक्रोस्विमर के मुख्य घटक या संशोधित आधार के रूप में नियोजित करता है। प्रारंभ में सूक्ष्मजीवों का उपयोग कृत्रिम उपकरणों के लिए मोटर इकाइयों के रूप में किया जाता था, लेकिन हाल के वर्षों में इस भूमिका को अन्य कार्यात्मकताओं की ओर बढ़ाया और संशोधित किया गया है जो अन्य कोशिकाओं और जीवित पदार्थों के साथ बातचीत करने के उनके साधनों को देखते हुए इन जीवों की जैविक क्षमताओं का लाभ उठाते हैं, विशेष रूप से मानव शरीर के अंदर अनुप्रयोगों के लिए जैसे दवा वितरण या निषेचन। सूक्ष्मजीवों का एक विशिष्ट लाभ यह है कि वे स्वाभाविक रूप से गतिशीलता और विभिन्न जैविक कार्यों को स्वायत्त संवेदन और निर्णय लेने की क्षमताओं के साथ एक सुविधाजनक रूप से लघु पैकेज में एकीकृत करते हैं। वे विवो वातावरण में अनुकूल होने और पनपने में सक्षम हैं और अपने आसपास के वातावरण के साथ बातचीत करने पर आत्म-मरम्मत और आत्म-संयोजन करने में सक्षम हैं। उस अर्थ में, आत्मनिर्भर सूक्ष्मजीव स्वाभाविक रूप से उसी तरह काम करते हैं जैसे हम कृत्रिम रूप से बनाए गए सूक्ष्मजीवों के लिए कल्पना करते हैंः वे अपने परिवेश से आणविक मोटर प्रोटीन को शक्ति देने के लिए रासायनिक ऊर्जा प्राप्त करते हैं जो एक्चुएटर के रूप में काम करते हैं, वे आयन चैनलों और माइक्रोट्यूबुलर नेटवर्क को इंट्रासेल्युलर वायरिंग के रूप में कार्य करने के लिए नियोजित करते हैं, वे नियंत्रण एल्गोरिदम के लिए स्मृति के रूप में आर. एन. ए. या डी. एन. ए. पर भरोसा करते हैं, और वे अपने परिवेश को समझने और मूल्यांकन करने के लिए विभिन्न झिल्ली प्रोटीन की एक श्रृंखला पेश करते हैं। ये सभी क्षमताएँ रोगाणुओं को पनपने और अपने लक्ष्य और कार्य को आगे बढ़ाने के लिए एक साथ कार्य करती हैं। सिद्धांत रूप में, ये क्षमताएँ उन्हें थेरानोस्टिक्स, निदान और चिकित्सा के संयोजन जैसे नए संचालन के लिए जैविक माइक्रोरोबॉट के रूप में भी योग्य बनाती हैं, यदि हम इस तरह के कार्यों को कृत्रिम रूप से लागू करने में सक्षम हैं, उदाहरण के लिए, चिकित्सा के साथ कार्यात्मकता द्वारा। इसके अलावा, कृत्रिम विस्तार का उपयोग बाहरी नियंत्रण और पर्यवेक्षण तंत्र के लिए हैंडल के रूप में किया जा सकता है या विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए इसके कार्यों को निर्देशित करने और तैयार करने के लिए सूक्ष्मजीव के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है। वास्तव में, बायोहाइब्रिड दृष्टिकोण की कल्पना एक द्वैतवादी तरीके से की जा सकती है, एक इन विवो माइक्रोरोबॉट के तीन बुनियादी अवयवों के संबंध में, जो गतिशीलता, नियंत्रण और कार्यक्षमता हैं। चित्र 1 बताता है कि कैसे इन तीन अवयवों को या तो जैविक रूप से, यानी सूक्ष्मजीव द्वारा, या कृत्रिम रूप से, यानी कृत्रिम घटक द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक शुक्राणु कोशिका पर आधारित एक संकर बायोमाइक्रोमोटर को शुक्राणु के फ्लैजेलम या एक संलग्न कृत्रिम पेचदार फ्लैजेलम द्वारा संचालित किया जा सकता है। यह अपने आसपास और अन्य कोशिकाओं के साथ जैविक बातचीत के माध्यम से खुद को स्वायत्त रूप से उन्मुख कर सकता है, या कृत्रिम सेंसर और एक्चुएटर्स के माध्यम से बाहरी रूप से नियंत्रित और पर्यवेक्षित किया जा सकता है। अंत में, यह एक जैविक कार्य कर सकता है, जैसे कि अंडे की कोशिका को निषेचित करने की अपनी अंतर्निहित क्षमता, या कृत्रिम रूप से लगाए गए कार्य, जैसे कि सिंथेटिक दवाओं या डीएनए वैक्टरों का वितरण। एक जैव संकर उपकरण एक विशिष्ट अनुप्रयोग को पूरा करने के लिए ऐसे जैविक और कृत्रिम घटकों के किसी भी व्यवहार्य संयोजन को तैनात कर सकता है। नेविगेशन हाइड्रोडायनामिक्स माइक्रोस्विमर नेविगेशन के लिए इष्टतम मार्ग निर्धारित कर सकता है, एक लक्ष्य तक इष्टतम रूप से पहुंचने के लिए एक विमान या चंद्रमा लैंडर जैसे मैक्रोस्कोपिक एजेंट को कैसे चलाया जाए, इसकी अच्छी तरह से खोजी गई समस्या की तुलना में, दीवारों और बाधाओं के साथ हाइड्रोडायनामिक बातचीत का अनुभव करने वाले माइक्रोस्विमरों के लिए इष्टतम नेविगेशन रणनीतियों को बहुत कम समझा जाता है। इसके अलावा, माइक्रोस्विमर के निलंबन में हाइड्रोडायनामिक इंटरैक्शन जटिल व्यवहार पैदा करते हैं। किसी लक्ष्य तक इष्टतम रूप से पहुंचने के लिए कैसे नेविगेट किया जाए या चलाया जाए, इस पर खोज महत्वपूर्ण है, उदाहरण के लिए, हवाई जहाजों के लिए एक दूरस्थ गंतव्य के रास्ते में जटिल हवा के पैटर्न का सामना करते हुए ईंधन बचाने के लिए, या चंद्रमा पर सुरक्षित रूप से उतरने के लिए एक अंतरिक्ष-एजेंट के हिस्सों की गति के समन्वय के लिए। ये शास्त्रीय समस्याएं अच्छी तरह से खोजी गई हैं और आमतौर पर इष्टतम नियंत्रण सिद्धांत का उपयोग करके हल की जाती हैं। इसी तरह, नेविगेशन और खोज रणनीतियों का अक्सर कई जैविक प्रणालियों में सामना किया जाता है, जिसमें भोजन के लिए जानवरों का चारा, या प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया को माउंट करने के लिए लक्ष्य की खोज करने वाली टी कोशिकाएं शामिल हैं। माइक्रोस्विमर और "शुष्क" सक्रिय ब्राउनियन कणों की इष्टतम नेविगेशन समस्याओं और खोज रणनीतियों में रुचि बढ़ रही है, एक माइक्रोस्विमर के इष्टतम प्रक्षेपवक्र के बारे में सामान्य समस्या जो स्वतंत्र रूप से आगे बढ़ सकती है लेकिन एक पूर्वनिर्धारित लक्ष्य (पॉइंट-टू-पॉइंट नेविगेशन) की ओर अपनी गति को नियंत्रित नहीं कर सकती है, उसे "इष्टतम माइक्रोस्विमर नेविगेशन समस्या" के रूप में संदर्भित किया जा सकता है। इष्टतम माइक्रोस्विमर नेविगेशन समस्या और हवाई जहाज, क्रूज-शिप या मून-लैंडर जैसे मैक्रोएजेंट के लिए पारंपरिक इष्टतम नियंत्रण समस्याओं के बीच विशिष्ट अंतर केवल पूर्व समस्या में कम-रेनॉल्ड्स-संख्या वाले विलायक की उपस्थिति में जड़ें जमा करते हैं। इनमें शामिल हैं (i) ओवरडैम्प्ड डायनामिक्स, (ii) थर्मल उतार-चढ़ाव, और (iii) इंटरफेस, दीवारों और बाधाओं के साथ लंबी दूरी की द्रव-मध्यस्थ हाइड्रोडायनामिक इंटरैक्शन, जो सभी माइक्रोस्विमर के लिए विशेषता हैं। विशेष रूप से, गैर-रूढ़िवादी हाइड्रोडायनामिक बल जो माइक्रोस्विमर अनुभव करते हैं, वे रूढ़िवादी गुरुत्वाकर्षण बलों की तुलना में एक अलग नौवहन रणनीति की मांग करते हैं, जैसे। अंतरिक्ष वाहनों पर। हाल के काम ने शुष्क सक्रिय कणों (और बाहरी प्रवाह क्षेत्रों में कणों) की इष्टतम नौवहन समस्याओं का पता लगाया है जो (i) और आंशिक रूप से (ii) के लिए भी जिम्मेदार हैं। विशेष रूप से हाल के शोध ने सुदृढीकरण सीखने के उपयोग का बीड़ा उठाया है जैसे कि एक लक्षित स्थिति की ओर इष्टतम रूप से नेविगेट करने के लिए सक्रिय कणों की इष्टतम संचालन रणनीतियों का निर्धारण करना या स्मार्ट गुरुत्वाकर्षण सीखकर कुछ प्रवाह संरचनाओं में फंसने से बचने के लिए बाहरी प्रवाह क्षेत्रों का फायदा उठाना। गहन सुदृढीकरण अधिगम का उपयोग पर्यावरण के वैश्विक या केवल स्थानीय ज्ञान को मानते हुए भूलभुलैया और बाधा सरणियों में माइक्रोस्विमर नेविगेशन समस्याओं का पता लगाने के लिए किया गया है। इष्टतम सक्रिय कण नेविगेशन के लिए विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण इन कार्यों को पूरा करते हैं और मशीन द्वारा सीखे गए परिणामों के परीक्षण की अनुमति देते हैं। अनुप्रयोग जैसा कि सामान्य रूप से सूक्ष्म प्रौद्योगिकी और नैनो प्रौद्योगिकी के मामले में होता है, सूक्ष्म स्विम्मर अनुप्रयोगों का इतिहास यकीनन रिचर्ड फेनमैन के प्रसिद्ध व्याख्यान देयरज़ प्लेंटी ऑफ़ रूम एट द बॉटम से शुरू होता है। दूरदर्शी भाषण में, अन्य विषयों के अलावा, फेनमैन ने सूक्ष्म शल्यचिकित्सकों के विचार को संबोधित करते हुए कहाः ". यदि आप शल्यचिकित्सक को निगल सकते हैं तो सर्जरी में यह दिलचस्प होगा। आप मैकेनिकल सर्जन को रक्त वाहिका के अंदर रखते हैं और यह हृदय में जाता है और चारों ओर जाता है (निश्चित रूप से जानकारी को बाहर निकालना पड़ता है)। यह पता लगाता है कि कौन सा वाल्व दोषपूर्ण है और एक छोटा चाकू लेता है और उसे काट देता है। कुछ अपर्याप्त रूप से काम करने वाले अंग की सहायता के लिए अन्य छोटी मशीनों को शरीर में स्थायी रूप से शामिल किया जा सकता है। सर्जन की अवधारणा जिसे कोई भी निगल सकता है, उसे जल्द ही विज्ञान-कथा फिल्म फैंटास्टिक वॉयेज और आइज़ैक असिमोव के लेखन में प्रस्तुत किया गया था। केवल कुछ दशकों के बाद, माइक्रोस्विमर जो सच्चे माइक्रोस्केल सर्जन बनने का लक्ष्य रखते हैं, एक दिलचस्प विज्ञान-कथा अवधारणा से दुनिया भर की कई शोध प्रयोगशालाओं में खोजी गई वास्तविकता में विकसित हुए, जैसा कि 2009 में मेटिन सिट्टी द्वारा पहले ही उजागर किया जा चुका है। ये सक्रिय कारक जो कम रेनॉल्ड्स संख्या वाले वातावरण में स्वयं-संचालित कर सकते हैं, नैनोमेडिसिन के भविष्य में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं, जैसा कि 2016 में युवल नूह हरारी द्वारा होमो ड्यूसः ए ब्रीफ हिस्ट्री ऑफ टुमॉरो में लोकप्रिय किया गया था। विशेष रूप से, वे एक निश्चित लक्ष्य तक जीन या दवाओं और अन्य माल के लक्षित वितरण के लिए उपयोगी हो सकते हैं (जैसे। एक कैंसर कोशिका) हमारी रक्त वाहिकाओं के माध्यम से, उन्हें लक्ष्य से बचने के लिए एक अच्छा, या आदर्श रूप से इष्टतम, मार्ग खोजने की आवश्यकता होती है, जैसे, बाधाएं और दुर्भाग्यपूर्ण प्रवाह क्षेत्र क्षेत्र। पहले से ही 2010 में, नेल्सन एट अल। न्यूनतम आक्रामक चिकित्सा में माइक्रोरोबॉट के मौजूदा और परिकल्पित अनुप्रयोगों की समीक्षा की गई। तब से, यह क्षेत्र विकसित हुआ है, और यह स्पष्ट हो गया है कि माइक्रोस्विमर में जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए बहुत अधिक क्षमता है। पहले से ही, कई दिलचस्प कार्यों को अनुरूप माइक्रोस्विमर का उपयोग करके इन विट्रो में किया जा सकता है। फिर भी, 2020 तक, माइक्रोस्विमर कई नैदानिक अनुप्रयोगों के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बनने से पहले इन विवो नियंत्रण, जैव संगतता और दीर्घकालिक जैव सुरक्षा के संबंध में कई चुनौतियों को दूर करने की आवश्यकता है। जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के वर्गीकरण का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व नीचे बाईं ओर आरेख में दिखाया गया है। इसमें दवा वितरण और अन्य जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों में माल परिवहन के लिए माइक्रोस्विमर का उपयोग, साथ ही सहायक निषेचन, संवेदन, माइक्रोमैनिपुलेशन और इमेजिंग शामिल हैं। कुछ अधिक जटिल माइक्रोस्विमर कई श्रेणियों में फिट होते हैं, क्योंकि उन्हें एक साथ संवेदी और दवा वितरण के लिए लागू किया जाता है। चिकित्सा हस्तक्षेप क्षमताओं के साथ विवो में कार्य करने के लिए एक असंबंधित माइक्रोस्कोपिक मोबाइल मशीन या माइक्रोरोबॉट के डिजाइन को एक एकीकृत दृष्टिकोण अपनाना चाहिए जहां डिजाइन 3 डी शरीर का आकार, सामग्री संरचना, निर्माण तकनीक, परिनियोजन रणनीति, सक्रियण और नियंत्रण विधियां, इमेजिंग तौर-तरीके, जैविक बाधाओं का पारगमन, और निर्धारित चिकित्सा कार्यों के निष्पादन पर पूरी तरह से विचार करने की आवश्यकता है, जैसा कि ऊपर दाईं ओर दिए गए चित्र में दिखाया गया है। इन आवश्यक पहलुओं में से प्रत्येक में एक विशेष डिजाइन विचार शामिल है, जो माइक्रोरोबॉट के भौतिक डिजाइन में परिलक्षित होना चाहिए। बायोइनस्पिरेशन बायो-इंस्पिरेटेड रोबोटिक्स बायो-इंस्पिरेटेड इंजीनियरिंग ग्रे गू रोबोटिक स्पर्म सॉफ्ट रोबोटिक्स स्क्विर्मर संदर्भ भी देखें।