Os cientistas revelaram como pequenas células nadadoras – como espermatozoides e bactérias – são capazes de se mover mais rapidamente quando viajam em grupo, e a investigação poderá acelerar o desenvolvimento de robôs microscópicos que distribuem medicamentos em regiões específicas do corpo.
O trabalho, conduzido por investigadores da Universidade de Loughborough e do Instituto Indiano de Ciência, mostra que quando os “micronadadores” se movem juntos através de ambientes fechados, alteram as propriedades do fluido à sua volta, reduzindo a resistência e aumentando a sua velocidade em comparação com a natação isolada.
As descobertas podem ser fundamentais para projetar micronadadores artificiais – robôs nadadores minúsculos e controláveis – que poderiam ser usados para uma variedade de aplicações médicas, como fertilização in vitro, tratamento de parasitas e administração direcionada de medicamentos médicos que substituem intervenções tradicionais e menos precisas.
“Imagine se pudéssemos criar micronadadores artificiais que pudessem ser injetados na corrente sanguínea e controlados externamente. Poderíamos navegá-los até áreas específicas do corpo, por exemplo, células cancerosas, e fazer com que administrassem medicamentos apenas nessas áreas”, diz o Dr. Marco Mazza, autor sênior do estudo.
“Para fazer isso, primeiro precisamos entender como os micronadadores que ocorrem naturalmente navegam em diferentes ambientes fluidos e nosso estudo fez progressos significativos nesta área.”
A pesquisa, publicada em Cartas de revisão físicaconcentra-se em um modelo teórico para Paramécio – minúsculos organismos unicelulares que vivem na água e se impulsionam batendo em estruturas semelhantes a cabelos chamadas cílios. Seu movimento é semelhante ao dos espermatozoides e de outros micronadadores, que também usam apêndices para gerar movimento e navegar em ambientes fluidos.
Usando simulações de computador e modelos teóricos, os pesquisadores analisaram como um micronadador individual e grupos de até 10 pessoas se movem através de um ambiente confinado de cristal líquido – um tipo único de fluido que flui como um líquido, mas tem moléculas que se alinham de forma ordenada. Esses fluidos estruturados ocorrem naturalmente na natureza e em sistemas biológicos, incluindo membranas celulares e tecidos.
As principais conclusões são:
- Os micronadadores que se movem em grupos criam campos de fluxo – movimentos no líquido circundante – que os ajudam a nadar com mais eficiência, reduzindo a resistência e melhorando a propulsão.
- À medida que mais nadadores se juntam, a sua velocidade média aumenta, permitindo-lhes mover-se mais rapidamente do que conseguiriam sozinhos.
- Ambientes de cristal líquido ajudam a guiar e direcionar os micronadadores, influenciando seus movimentos
- Existem dois tipos de micronadadores – ‘empurradores’ e ‘extratores’. Os empurradores se beneficiam do movimento coletivo, enquanto os puxadores atrapalham uns aos outros, mostrando que o efeito depende do tipo de nadador.
Imagem: Uma impressão artística de micronadadores (esferas laranja) movendo-se através de um ambiente confinado de cristal líquido. As hastes verdes representam a estrutura molecular alinhada do cristal líquido, que ajuda a orientar e influenciar o movimento dos nadadores.
O próximo passo é expandir a pesquisa, passando de simulações em pequena escala para aquelas que replicam como centenas de micronadadores se movem através de diferentes ambientes líquidos fechados.
Os cientistas também esperam colaborar com pesquisadores experimentais que trabalham com Paramécio e outros tipos de micronadadores para comparar o comportamento do mundo real com seus modelos teóricos. Isto fornecerá insights mais profundos sobre a dinâmica coletiva da natação, o que poderá informar o projeto de micronadadores artificiais.
O professor Tony Croft, um dos autores do estudo e professor emérito de educação matemática na Universidade de Loughborough, espera que o impacto desta pesquisa seja sentido além do domínio acadêmico.
“Este trabalho tem o poder de despertar a curiosidade nas mentes dos jovens, inspirando novas gerações de alunos a explorar a fascinante intersecção entre matemática, física e biologia”, disse ele.
“Muitas vezes, os alunos percebem a matemática como árida e irrelevante; o nosso trabalho desafia essa noção, revelando as suas profundas ligações com o mundo real e o seu potencial para desbloquear novas descobertas emocionantes.”
O artigo, intitulado ‘Cooperatividade de micronadadores nemáticos confinados: de um para muitos’, pode ser lido na íntegra online.
Comentários adicionais dos autores:
O autor principal, Shubhadeep Mandal, do Instituto Indiano de Ciência, disse: “Esta pesquisa examina como as principais propriedades de fluidos complexos, como anisotropia e elasticidade, afetam o movimento de entidades nadadoras, como células móveis e microrobôs sintéticos. A anisotropia viscosa e a elasticidade estão de fato presentes em ambientes biológicos, como muco, saliva e o citoesqueleto celular. A pesquisa demonstra como é possível projetar características de nadadores para controlar seu movimento nesses fluidos complexos. “
Tom Mason, um estudante de doutorado na Universidade de Loughborough e um dos co-autores principais do estudo, disse: “Nossa pesquisa sobre micronadadores nemáticos em ambientes confinados avança nossa compreensão da matéria ativa em fluidos complexos, com implicações tanto para a física fundamental quanto para aplicações do mundo real. Ao explorar a interação entre a dinâmica do nadador, o confinamento e a elasticidade nemática, fornecemos insights sobre como nadadores em microescala navegam em ambientes estruturados – relevantes para microfluídica, engenharia biomédica e física da matéria mole.
“Identificamos comportamentos distintos dos nadadores – flutuação na parede, oscilação e migração central – que oferecem uma estrutura para controlar o movimento em microescala em meios cristalinos líquidos. Essas descobertas têm aplicações potenciais em distribuição direcionada de medicamentos, microrobótica e sistemas biológicos sintéticos. Por meio de modelagem teórica e simulações computacionais, nosso trabalho estabelece as bases para o avanço de tecnologias autônomas em microescala e para a compreensão de interações complexas entre fluidos e estruturas.”
Notas para editores
Número de referência do comunicado de imprensa: 25/52
Loughborough é uma das principais universidades do país, com reputação internacional em pesquisas importantes, excelência no ensino, fortes vínculos com a indústria e realizações incomparáveis no esporte e nas disciplinas acadêmicas que o sustentam.
Foi premiada com cinco estrelas no esquema independente de classificação universitária QS Stars e eleita a melhor universidade do mundo em disciplinas relacionadas ao esporte no 2025 QS World University Rankings – o nono ano consecutivo.
Loughborough está classificada em 6º lugar no The UK Complete University Guide 2025, 10º na Guardian University League Table 2025 e 10º no Times and Sunday Times Good University Guide 2025.
Loughborough também foi nomeada Universidade do Ano para o Esporte no Times e no Sunday Times Good University Guide 2025 – a quarta vez que recebeu o prestigioso título.
Loughborough é consistentemente classificada entre as vinte melhores universidades do Reino Unido na ‘tabela de tabelas’ do Times Higher Education, e no Research Excellence Framework (REF) 2021, mais de 90% de sua pesquisa foi classificada como ‘líder mundial’ ou ‘excelente internacionalmente’. Em reconhecimento à sua contribuição para o setor, Loughborough recebeu sete prêmios do Aniversário da Rainha.
O campus da Loughborough University London está localizado no Parque Olímpico Rainha Elizabeth e oferece educação de pós-graduação e nível executivo, bem como oportunidades de pesquisa e empreendimentos. É o lar de líderes de pensamento influentes, pesquisadores pioneiros e inovadores criativos que oferecem aos alunos a mais alta qualidade de ensino e o que há de mais moderno no pensamento moderno.
