السباح الصغير

السباح المجهري هو جسم مجهري قادر على الحركة في بيئة سائلة. [ ^{1 ] توجد} السباحات المجهرية الطبيعية في كل مكان في العالم الطبيعي ككائنات حية دقيقة ، مثل البكتيريا والعتائق والطلائعيات والحيوانات المنوية والحيوانات المجهرية . منذ مطلع الألفية، ازداد الاهتمام بتصنيع السباحات المجهرية الاصطناعية والهجينة الحيوية . على الرغم من مرور عقدين فقط على ظهورها، فقد أظهرت بالفعل إمكانات واعدة في العديد من التطبيقات الطبية الحيوية والبيئية. ^{[ 1 ]}

نظراً لحداثة هذا المجال، لا يوجد حتى الآن إجماع في الأدبيات العلمية على تسمية الأجسام المجهرية التي يُشار إليها في هذه المقالة باسم "السباحات المجهرية". ومن بين الأسماء البديلة العديدة التي تُطلق على هذه الأجسام في الأدبيات، تُعدّ مصطلحات مثل "السباحات المجهرية" و"السباحات على المستوى الميكروي" و"الروبوتات الميكروية/النانوية" و"المحركات الميكروية/النانوية" الأكثر شيوعاً. وقد تكون المصطلحات الشائعة الأخرى أكثر وصفاً، إذ تتضمن معلومات حول شكل الجسم، مثل الأنبوب الميكروي أو الحلزون الميكروي، ومكوناته، مثل الهجين الحيوي، أو الروبوت الميكروبي، ^{أو الروبوت البكتيري ، أو} الروبوت ^الحيوي الميكروي، ^{أو سلوكه ، مثل الصاروخ الميكروي} ، أو الرصاصة الميكروية، أو الأداة الميكروية، أو الأسطوانة الميكروية. وقد أطلق الباحثون أسماءً على أنواع محددة من السباحين المجهريين، مثل: medibots، ^{[ 5 ]} hairbots، ^{[ 6 ]} iMushbots، ^{[ 7 ]} IRONSperm، ^{[ 8 ]} teabots، ^{[ 9 ]} biobots، ^{[ 10 ]} T-budbots، ^{[ 11 ]} أو MOFBOTS. ^{[ 12 ] [ 1 ]}

في عام 1828، اكتشف عالم الأحياء البريطاني روبرت براون الحركة الاهتزازية المستمرة لحبوب اللقاح في الماء، ووصف اكتشافه في مقالته "تقرير موجز عن الملاحظات المجهرية..."، ^{[ 13 ]} مما أدى إلى نقاش علمي موسع حول أصل هذه الحركة. لم يُحل هذا اللغز إلا في عام 1905، عندما نشر ألبرت أينشتاين مقالته الشهيرة " Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen" . ^{[ 14 ]} لم يكتفِ أينشتاين باستنتاج انتشار الجسيمات العالقة في السوائل الساكنة، بل اقترح أيضًا إمكانية استخدام هذه النتائج لتحديد حجم الجسيمات - بمعنى ما، كان أول عالم ريولوجيا مجهرية في العالم . ^{[ 15 ]}

منذ أن وضع نيوتن معادلاته للحركة، برز لغز الحركة على المستوى الميكروسكوبي مرارًا في تاريخ العلوم، كما يتضح جليًا من خلال مقالتين جديرتين بالمناقشة بإيجاز. أولًا، يتمثل أحد المفاهيم الأساسية، التي شاع استخدامها بفضل أوزبورن رينولدز ، في أن الأهمية النسبية للقصور الذاتي واللزوجة في حركة المائع تعتمد على تفاصيل معينة للنظام قيد الدراسة. ^{[ 15 ]} ويُحدد عدد رينولدز ( Re) ، الذي سُمي تكريمًا له، هذه المقارنة كنسبة لا بُعدية بين قوى القصور الذاتي واللزوجة المميزة.

${\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho ul}{\mu }}}$

هنا، تمثل ρ كثافة السائل؛ و u سرعة مميزة للنظام (على سبيل المثال، سرعة جسيم يسبح)؛ و l مقياس طول مميز ( مثل حجم الكائن السباح)؛ و μ لزوجة السائل. بافتراض أن السائل المعلق هو الماء، وباستخدام القيم المرصودة تجريبياً لـ u ، يمكن تحديد أن القصور الذاتي مهم للكائنات السابحة الكبيرة مثل الأسماك ( Re = 100)، بينما تهيمن اللزوجة على حركة الكائنات السابحة متناهية الصغر مثل البكتيريا ( Re = 10⁻⁴ ⁾ . ^{[ 15 ]}

تُعدّ اللزوجة ذات أهمية بالغة للسباحة على مستوى الميكرومتر، ولها آثار عميقة على استراتيجية السباحة. وقد ناقش إي. إم. بورسيل هذا الأمر بإسهاب ، حيث دعا القارئ إلى عالم الكائنات الدقيقة ودرس نظريًا ظروف حركتها. ^{[ 16 ]} في المقام الأول، غالبًا ما تتضمن استراتيجيات دفع الكائنات السابحة واسعة النطاق نقل الزخم إلى السائل المحيط بها في أحداث دورية منفصلة ، ​​مثل انفصال الدوامات ، والتحرك بانسيابية بين هذه الأحداث بفعل القصور الذاتي . لا يُمكن أن يكون هذا فعالًا بالنسبة للكائنات السابحة متناهية الصغر كالبكتيريا: نظرًا للتخميد اللزج الكبير ، فإن زمن الانسيابية بالقصور الذاتي لجسم بحجم الميكرون يبلغ حوالي 1 ميكروثانية. تبلغ مسافة انسيابية الكائن الدقيق المتحرك بسرعة نموذجية حوالي 0.1 أنغستروم (Å). وخلص بورسيل إلى أن القوى التي تُبذل في اللحظة الراهنة على جسم متناهٍ الصغر هي فقط التي تُساهم في دفعه، لذا فإن طريقة تحويل الطاقة الثابتة ضرورية. ^{[ 16 ] [ 15 ]}

حسّنت الكائنات الدقيقة عمليات الأيض لديها لإنتاج الطاقة بشكل مستمر، بينما يتعين على السباحين المجهريين الاصطناعيين (الروبوتات المجهرية) الحصول على الطاقة من البيئة المحيطة، نظرًا لمحدودية سعة تخزين الطاقة لديهم. ونتيجةً أخرى لتبديد الطاقة المستمر، لا تخضع السباحات المجهرية البيولوجية والاصطناعية لقوانين الفيزياء الإحصائية المتوازنة، وتحتاج إلى وصفها بديناميكيات غير متوازنة. ^{[ 15 ]} رياضيًا، استكشف بورسيل آثار انخفاض عدد رينولدز من خلال أخذ معادلة نافيير-ستوكس وحذف حدود القصور الذاتي.

${\displaystyle {\begin{aligned}\mu \nabla ^{2}\mathbf {u} -{\boldsymbol {\nabla }}p&={\boldsymbol {0}}\\\end{aligned}}}$

أين${\displaystyle \mathbf {u} }$هي سرعة السائل و${\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}p}$يمثل تدرج الضغط . وكما أشار بورسيل، فإن المعادلة الناتجة - معادلة ستوكس - لا تتضمن اعتمادًا صريحًا على الزمن. ^{[ 16 ]} وهذا له تبعات مهمة على كيفية سباحة جسم معلق (مثل البكتيريا) خلال حركات ميكانيكية دورية أو تشوهات (مثل السوط ). أولًا، معدل الحركة غير ذي صلة عمليًا بحركة الجسم السباح الصغير والسائل المحيط به: تغيير معدل الحركة سيغير مقياس سرعات السائل والجسم السباح الصغير، لكنه لن يغير نمط تدفق السائل. ثانيًا، عكس اتجاه الحركة الميكانيكية سيعكس ببساطة جميع السرعات في النظام. هذه الخصائص لمعادلة ستوكس تحد بشدة من نطاق استراتيجيات السباحة الممكنة. ^{[ 16 ] [ 15 ]}

كمثال عملي، لنفترض وجود محار رياضي يتكون من قطعتين صلبتين متصلتين بمفصل. هل يستطيع هذا المحار السباحة عن طريق فتح المفصل وإغلاقه دوريًا؟ كلا، فبغض النظر عن كيفية اعتماد دورة الفتح والإغلاق على الزمن، سيعود المحار دائمًا إلى نقطة البداية في نهاية الدورة. من هنا نشأت المقولة اللافتة: "سريعًا كان أم بطيئًا، فإنه يعيد رسم مساره بدقة ويعود إلى حيث بدأ". ^{[ 16 ]} في ضوء نظرية المحار هذه ، طور بورسيل مناهج تتعلق بكيفية توليد حركة اصطناعية على المستوى الميكروي. ^{[ 15 ]} لا تزال هذه الورقة البحثية مصدر إلهام للنقاش العلمي المستمر؛ فعلى سبيل المثال، أكدت دراسة حديثة أجراها فريق فيشر من معهد ماكس بلانك للأنظمة الذكية تجريبيًا أن مبدأ المحار لا ينطبق إلا على السوائل النيوتونية . ^{[ 17 ] [ 15 ]}

كما ذُكر في القسم السابق، تتحكم اللزوجة في حركة السباحين المجهريين، مما يعني أن الحركة تعتمد بشكل أساسي على مقاومة الماء. إضافةً إلى ذلك، تُبين نظرية الصدفة أن السباحين المجهريين لا يمكنهم الاعتماد على الزمن في حركتهم، مما يتطلب منهم امتلاك أكثر من درجة حرية واحدة . يمكن الاطلاع على اشتقاقات المركبتين الموازية والعمودية لمقاومة الماء على الأشكال الهندسية البسيطة في التدفق الزاحف في المراجع ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} وفي الوسائط المسجلة ^{[ 22 ]} ، لا سيما في الكرات.

${\displaystyle F_{sphere}=6\pi \mu ur}$

والأشكال الكروية ذات المحورين الرئيسي والثانوي a و b :

${\displaystyle F_{parallel}=6\pi \left({\frac {4+a/b}{5}}\right)}$

${\displaystyle F_{perpendicular}=6\pi \left({\frac {3+2a/b}{5}}\right)}$

نظراً للطبيعة الخطية لمعادلات الموائع الحاكمة، يمكن استخدام مبدأ التراكب لنمذجة أشكال هندسية أكثر تعقيداً، مثل اللوالب، وذلك استناداً إلى تحليل بورسيل وآخرين. على سبيل المثال، يكون السحب وعزم الدوران على الملف الحلزوني كما يلي: ^{[ 18 ]}

${\displaystyle {\begin{bmatrix}F\\T\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}a&b\\b&c\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}u\\\omega \end{bmatrix}}}$

${\displaystyle a=2\pi n\sigma \left({\frac {\xi _{\parallel }\cos ^{2}(\theta )+\xi _{\perp }\sin ^{2}(\theta )}{\sin(\theta )}}\right)}$

${\displaystyle b=2\pi n\sigma ^{2}(\xi _{\parallel }-\xi _{\perp })\cos(\alpha )}$

${\displaystyle c=2\pi n\sigma ^{3}\left({\frac {\xi _{\parallel }\sin ^{2}(\theta )+\xi _{\perp }\cos ^{2}(\theta )}{\sin(\theta )}}\right)}$

${\displaystyle \xi _{\parallel }={\frac {2\pi \mu }{\ln \left({\frac {0.36\pi \sigma }{r\sin(\theta )}}\right)}},\xi _{\perp }={\frac {4\pi \mu }{\ln \left({\frac {0.36\pi \sigma }{r\sin(\theta )+0.5}}\right)}}}$

أين${\displaystyle \theta =\arctan({\frac {2\pi \sigma }{\lambda }})}$من المهم ملاحظة أنه في حين أن نظرية الصدفة تتطلب أكثر من درجة واحدة من الحرية، فإن القوة الخارجية (مثل المغناطيسية) تسمح بحركة لولب بسيط.

تُزوَّد أنواع مختلفة من السباحين المجهريين بالطاقة وتُشغَّل بطرقٍ متباينة. وقد دُرست استراتيجيات السباحة للسباحين المجهريين الأفراد ^{[ 3 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} ، وكذلك أسرابهم ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} على مر السنين. عادةً، يعتمد السباحون المجهريون إما على مصادر طاقة خارجية، كما هو الحال في التحكم المغناطيسي ^{[ 34 ]} ، أو البصري ^{[ 10 ] ، أو الصوتي [ 35 ]} ، أو يستخدمون الوقود المتاح في بيئتهم، كما هو الحال في السباحين المجهريين الحيويين أو المحفزين . يتوافق التشغيل المغناطيسي والصوتي عادةً مع التحكم في السباحين المجهريين داخل الجسم الحي ، ويمكن تصميم السباحين المجهريين المحفزين خصيصًا لاستخدام الوقود داخل الجسم الحي . يُعد استخدام القوى البصرية في السوائل البيولوجية أو داخل الجسم الحي أكثر صعوبة، ولكن مع ذلك فقد تم تقديم أمثلة مثيرة للاهتمام. ^{[ 10 ]}

غالباً ما يستلهم الباحثون من الطبيعة، إما لتصميم السباحين المجهريين بالكامل، أو لتحقيق نوع معين من الدفع. على سبيل المثال، كان أحد أوائل السباحين المجهريين المستوحين من الطبيعة يتكون من خلايا دم حمراء بشرية مُعدّلة بمكون اصطناعي يشبه السوط، مصنوع من خيوط من جسيمات مغناطيسية مرتبطة عبر تفاعلات البيوتين والستربتافيدين . [ 36 ] ومؤخراً ، تم ^{إثبات السباحة المحاكية} للطبيعة ، والمستوحاة من خصائص الموجات المتحركة الشبيهة بالديدان، ^{[ 37 ]} وحركة الروبيان، ^{[ 38 ]} وحركة الجري والتقلب البكتيرية ، ^{[ 39 ]} باستخدام ضوء مُشكّل. ^{[ 10 ]}

يُعد استخدام السباحين المجهريين الحيويين الهجينين نهجًا مختلفًا مستوحى من الطبيعة . يتألف هذا النوع من مكون حي وآخر اصطناعي. غالبًا ما تستفيد السباحين المجهريين الحيويين الهجينين من الحركة الميكروسكوبية لمختلف الأنظمة البيولوجية، ويمكنهم أيضًا الاستفادة من سلوكيات أخرى تميز المكون الحي. ^{[ 40 ]} بالنسبة للسباحين المجهريين الحيويين الهجينين والمستوحى من الطبيعة، تُعد البكتيريا والحيوانات المنوية والخلايا المغناطيسية نماذج نموذجية . ^{[ 41 ]} بالإضافة إلى استخدام القوى المغناطيسية، تم إثبات تحريك السباحين المجهريين الحيويين باستخدام، على سبيل المثال، الإثارة الصوتية ^{[ 42 ]} أو القوى الضوئية. ^{[ 43 ]} ومن السلوكيات الأخرى المستوحاة من الطبيعة والمرتبطة بالقوى الضوئية، سلوك الانجذاب الضوئي ، والذي يمكن استغلاله بواسطة، على سبيل المثال، الكائنات الحية الدقيقة الحاملة للحمولة، ^{[ 44 ]} أو السباحين المجهريين الاصطناعيين ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]} أو السباحين المجهريين الحيويين الهجينين. ^{[ 48 ]} ​​تركز العديد من الأوراق البحثية الحديثة على شرح أو مقارنة استراتيجيات الدفع والتحكم المستخدمة في تحريك السباحين المجهريين. ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]} يُستخدم التحريك المغناطيسي غالبًا للتوجيه المتحكم به داخل الجسم الحي ، حتى بالنسبة للسباحين المجهريين الذين يعتمدون على نوع مختلف من الدفع. في عام 2020، استعرض كولوسو وآخرون استخدام الروبوتات المغناطيسية صغيرة الحجم للتطبيقات الطبية الحيوية، وقدموا تفاصيل حول مختلف المجالات المغناطيسية وأنظمة التحريك المطورة لهذه الأغراض. ^{[ 34 ] [ 1 ]}

تشمل استراتيجيات تصنيع السباحين المجهريين الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام بلمرة ثنائية الفوتون ، والطباعة الضوئية ، والترسيب الكهربائي بمساعدة القوالب، أو ربط مكون حي بمكون غير حي باستخدام استراتيجيات مختلفة. وتعتمد الأساليب الأحدث على الطباعة رباعية الأبعاد ، وهي الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد المستجيبة للمؤثرات الخارجية. ^{[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]} غالبًا ما يتطلب الأمر مزيدًا من التعديل الوظيفي، إما لتمكين نوع معين من التشغيل، مثل الطلاء المعدني للتحكم المغناطيسي أو الاستجابات الحرارية البلازمونية، أو كجزء من التطبيق، إذا كانت هناك حاجة إلى خصائص معينة، مثل الاستشعار، أو نقل البضائع، أو التفاعلات المتحكم بها مع البيئة، أو التحلل البيولوجي . ^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 1 ]}

يمكن تصنيف السباحين المجهريين أيضًا حسب طرق دفعهم، ^{[ 62 ]} ويُستخدم طريقتان أساسيتان: الدفع الذاتي والدفع بواسطة مجال خارجي. في الدفع الذاتي، يُغطى الروبوت بوقود كيميائي يتفاعل مع البيئة السائلة المحيطة به لتكوين فقاعات تدفعه. أما الدفع بواسطة مجال خارجي فيوفر تنوعًا أكبر، إذ يستخدم مجالات بصرية أو مغناطيسية أو صوتية أو كهربائية. يُعد الدفع بواسطة مجال خارجي أنسب للتطبيقات البيولوجية لأنه لا يتطلب استخدام وقود كيميائي يُنتج ملوثات قد تكون ضارة بالكائن الحي الذي يخدمه السباحون المجهريون، بما في ذلك الأغشية والمواد الكيميائية التي قد تكون متوافقة حيويًا. كما توفر هذه الطريقة دقة مكانية أعلى وتحكمًا أفضل، مع تطورات حديثة تُتيح الحركة ثلاثية الأبعاد، مما يُعزز مرونة السباحين المجهريين ووظائفهم.

تطورت الأنظمة المتحركة في العالم الطبيعي عبر الزمن وعلى نطاقات مكانية تمتد لعدة مراتب من حيث الحجم، وتطورت تشريحياً وفيزيولوجياً للوصول إلى استراتيجيات مثلى للدفع الذاتي والتغلب على آثار قوى اللزوجة العالية والحركة البراونية ، كما هو موضح في الرسم البياني على اليمين. ^{[ 64 ] [ 15 ]}

تُعدّ البروتينات الحركية ، أي البروتينات والمركبات البروتينية الموجودة في الخلايا والتي تؤدي وظائف فيزيولوجية متنوعة عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية ، من أصغر الأنظمة الحركية الطبيعية المعروفة. تُصنّف هذه البروتينات الحركية إلى ميوسينات ، وكينيسينات ، وداينينات . تُعدّ محركات الميوسين مسؤولة عن انقباض العضلات ونقل الحمولة باستخدام خيوط الأكتين كمسارات. أما محركات الداينين ​​والكينيسينات، فتستخدم الأنيبيبات الدقيقة لنقل الحويصلات عبر الخلية. ^{[ 65 ] [ 66 ]} تعتمد آلية تحويل الطاقة الكيميائية إلى حركة في هذه البروتينات الحركية على تحلل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، مما يؤدي إلى تغيير في بنية المجال الحركي الكروي، وبالتالي حركة موجهة. ^{[ 67 ] [ 68 ] [ 15 ]}

إلى جانب البروتينات الحركية، يمكن للإنزيمات، المعروفة تقليديًا بوظائفها التحفيزية في العمليات الكيميائية الحيوية، أن تعمل كآلات نانوية تحول الطاقة الكيميائية إلى حركة ميكانيكية على المستوى الجزيئي. ويزداد انتشار العديد من الإنزيمات (مثل اليورياز والكاتالاز)، الذي يُقاس باستخدام مطيافية الارتباط الفلوري (FCS)، تبعًا لنوع الركيزة. ^{[ 69 ] [ 70 ]} علاوة على ذلك، عندما تكون الإنزيمات مرتبطة بالغشاء، يمكن لنشاطها التحفيزي أن يحفز حركة الحويصلات الدهنية. فعلى سبيل المثال، تُظهر الحويصلات الدهنية المدمجة مع إنزيمات مثل أدينوسين 5'-ثلاثي الفوسفاتاز عبر الغشاء، أو الفوسفاتاز الحمضي المرتبط بالغشاء، أو اليورياز، حركةً مُعززة تتناسب مع معدل دوران الإنزيم. ^{[ 71 ]} ومن خلال سلسلة من الإنزيمات، يمكن لركيزة إنزيمية واحدة أن تُنظم ديناميكيات مجموعات منفصلة من الجسيمات الدقيقة المرتبطة بالإنزيم، مما يُسهل الانتشار المُعزز والانجذاب الكيميائي الإيجابي. ^{[ 72 ] [ 73 ]}

يمكن تقسيم البكتيريا تقريبًا إلى مجموعتين مختلفتين جوهريًا، البكتيريا موجبة الجرام والبكتيريا سالبة الجرام ، وذلك بناءً على بنية غلافها الخلوي. في كلتا الحالتين، يُعد الغلاف الخلوي بنية معقدة متعددة الطبقات تحمي الخلية من بيئتها. في البكتيريا موجبة الجرام، يُحاط الغشاء السيتوبلازمي بجدار خلوي سميك من الببتيدوغليكان فقط . في المقابل، يكون غلاف البكتيريا سالبة الجرام أكثر تعقيدًا، ويتكون (من الداخل إلى الخارج) من الغشاء السيتوبلازمي، وطبقة رقيقة من الببتيدوغليكان، وغشاء خارجي إضافي يُسمى أيضًا طبقة الليبوبوليسكاريد . تتراوح تراكيب سطح الخلية البكتيرية الأخرى من طبقات مخاطية غير منتظمة إلى كبسولات عالية التنظيم . تتكون هذه الكبسولات من عديدات سكاريد أو بروتينات لزجة أو مخاطية مُفرزة، توفر الحماية للخلايا وتكون على اتصال مباشر بالبيئة. ولها وظائف أخرى، منها الالتصاق بالأسطح الصلبة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتواجد زوائد بروتينية على السطح: يمكن أن يكون للأهداب والشعيرات أطوال وأقطار مختلفة ، وتشمل وظائفها الالتصاق والحركة الارتعاشية . ^{[ 74 ] [ 75 ] [ 15 ]}

وبالتحديد، بالنسبة للكائنات الدقيقة التي تعيش في البيئات المائية ، تشير الحركة إلى السباحة، ولذا يزخر العالم بأنواع مختلفة من الكائنات الدقيقة السابحة، مثل البكتيريا ^{والحيوانات} المنوية والأوليات والطحالب . تتحرك البكتيريا نتيجة دوران خيوط دقيقة تشبه الشعر تُسمى الأسواط ، والتي ترتبط بمركب بروتيني حركي على جدار الخلية البكتيرية. [ ^{15 ]}

يسرد الجدول التالي، استنادًا إلى Schwarz et al. 2017، ^{[ 76 ]} بعض الأمثلة على السباحين المجهريين الطبيعيين أو البيولوجيين.

الكائنات الحية الدقيقة المتحركة

	اسم	صورة	الحجم (ميكرومتر مربع ) أ	السرعة (ميكرومتر/ثانية)	آلية الدفع	موطن طبيعي للسباحة	مصادر
الكائنات البكتيرية السابحة (بدائيات النوى)	الإشريكية القولونية		0.5 × 2	30	الحزم الشعرية	البكتيريا المعوية	[ 77 ]
	Serratia marcescens		1 × 2	50	الحزم الشعرية	الجهاز التنفسي والجهاز البولي (طفيلي)	[ 78 ]
	السالمونيلا التيفية		0.5 × 2	30	الحزم الشعرية	الأمعاء (طفيلية)	[ 79 ]
	عصية رقيقة		1 × 3	20	الحزم الشعرية	البكتيريا المعوية	[ 80 ]
	Aliivibrio fischeri		1 × 2	50	الأسواط اللوفوتريكوس	المخاط (التكافلي)	[ 81 ]
	ضمة الجينوليتيكوس		2 × 3	40	سوط أحادي الخط	الدم (طفيلي)	[ 82 ] [ 83 ]
	الليستيريا المستوحدة		0.5 × 1.5	<1	حزم محيطية أو مزدوجة الشعر	بين الخلايا وداخلها (طفيلي)	[ 84 ] [ 85 ]
	ماغنيتوكوكوس مارينوس		2 × 2	200	حزمتان من الشعر الطويل	مياه البحر	[ 86 ] [ 87 ]
	ماغنيتوسبيريلوم غريفيسوالدينس		0.5 × 2	60	سوطان مزدوجان	رواسب المياه العذبة	[ 88 ]
	الميكوبلازما المتنقلة		0.5 × 0.5	5	الانزلاق عبر النتوءات	خياشيم الأسماك (طفيلية)	[ 89 ]
الطلائعيات السابحة (وحيدة الخلية) حقيقيات النوى)	الكلاميدوموناس		10 × 10	150	سوطان لوفوتريشيان	المياه العذبة، التربة	[ 90 ]
	التتراهيمينا		25 × 50	أكثر من 500	أهداب هولوتريكوس	مياه عذبة	[ 91 ]
	التريبانوسوما		3 × 20	30	سوط أحادي الخط	الدم (طفيلي)	[ 92 ] [ 93 ]
خلايا الحيوانات المنوية	بشر		3 × 5	50	سوط أحادي الخط	الجهاز التناسلي	[ 94 ] [ 95 ]
	الأبقار		5 × 10	100	سوط أحادي الخط	الجهاز التناسلي	[ 95 ] [ 96 ] [ 97 ]
	فأري		3 × 8	120	سوط أحادي الخط	الجهاز التناسلي	[ 94 ] [ 96 ]

يُعدّ ابتكار مركبات وظيفية مصغّرة قادرة على أداء مهام معقدة على نطاق صغير، والتي يصعب أو يستحيل إنجازها بالطرق التقليدية، أحد التحديات الهندسية الراهنة. تُعرف هذه المركبات باسم المحركات النانوية/الميكروية أو الروبوتات النانوية/الميكروية، ويجب تمييزها عن الآلات الجزيئية الأصغر حجمًا المستخدمة في تطبيقات الطاقة والحوسبة وغيرها، من جهة، وعن الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الثابتة (MEMS) من جهة أخرى. وبدلًا من كونها أجهزة إلكترونية على شريحة، تستطيع المحركات الميكروية التحرك بحرية في وسط سائل مع إمكانية توجيهها خارجيًا أو تصميمها الداخلي، وهو ما يمكن تحقيقه عبر آليات مختلفة، أهمها التفاعلات التحفيزية ، ^{[ 100 ] [ 101 ] [ 102 ] [ 103 ]} والمجالات المغناطيسية ، ^{[ 104 ] [ 105 ]} أو الموجات فوق الصوتية . ^{[ 106 ] [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ] [ 110 ]}

توجد تطبيقات متنوعة للاستشعار والتحريك والتقاط وتوصيل الأدوية يسعى العلماء حاليًا إلى تطويرها، ويُعدّ استهداف الأدوية الموضعي لعلاج السرطان أحد أبرز الأمثلة على ذلك. ^{[ 111 ] [ 5 ]} في مثل هذه التطبيقات، يجب أن يكون المحرك الدقيق قادرًا على الحركة، أي السباحة، بحرية في ثلاثة أبعاد، مع التحكم والتوجيه بكفاءة عالية من خلال آلية موثوقة. ^{[ 76 ]}

نتيجة مباشرة لصغر حجم الكائنات الدقيقة السابحة، يكون لها رقم رينولدز منخفض . وهذا يعني أن فيزياء سباحة هذه الكائنات تخضع بشكل أساسي لقوى السحب اللزجة ، وهي مشكلة نوقشت باستفاضة من قبل الفيزيائيين في هذا المجال. ^{[ 108 ] [ 112 ] [ 64 ]} وقد شكل هذا النوع من السباحة تحديًا للمهندسين، إذ أنه غير شائع في الحياة اليومية، ولكنه مع ذلك يُلاحظ في الطبيعة لدى الكائنات الحية الدقيقة المتحركة مثل الحيوانات المنوية وبعض أنواع البكتيريا. وبطبيعة الحال، شكلت هذه الكائنات مصدر إلهام منذ البداية لابتكار محركات دقيقة اصطناعية، لقدرتها على مواجهة التحديات التي تواجهها المركبات النشطة ذاتية الحركة من الكائنات الدقيقة السابحة. ^{[ 113 ]} وباستخدام أساليب المحاكاة الحيوية ، تمكن الباحثون من محاكاة استراتيجية الحركة القائمة على الأسواط لدى الحيوانات المنوية وبكتيريا الإشريكية القولونية ، وذلك عن طريق إعادة إنتاج شكل أسواطها وتحريكها باستخدام المجالات المغناطيسية. ^{[ 36 ] [ 114 ] [ 76 ] [ 15 ]}

تُصمَّم السباحات المجهرية الاصطناعية بأشكال متنوعة تبعًا لتطبيقاتها. وكما هو الحال مع السباحات المجهرية الطبيعية، يرتبط تحريكها والتحكم بها بتكلفة طاقة. في الطبيعة، يُلاحَظ أن البكتيريا متناهية الصغر تستهلك طاقة ضئيلة جدًا، بينما تستهلك الكائنات الدقيقة الأكبر حجمًا طاقة أكبر. ^{[ 115 ] [ 116 ]}   ويمكن تطبيق هذا المبدأ على السباحات المجهرية الاصطناعية، حيث درس الباحثون العلاقة بين حجم وشكل السباح المجهري والطاقة المستهلكة. ^{[ 116 ]}   ويرى بيرو وزملاؤه أن السباحات المجهرية الشبيهة بالإبر أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة من الأشكال الأخرى، بينما تحمل تدرجات التدفق في السائل السباحات المجهرية القرصية الشكل، وهي مهيأة بطبيعتها لاتباع مسار مثالي زمنيًا. ^{[ 116 ]}   كما حظيت السباحات المجهرية الحلزونية باهتمام متزايد كشكل هندسي للسباحات المجهرية، نظرًا لاستلهامها من البنى المجهرية في أنواع عديدة من النباتات التي تعمل كأوعية مائية. ^{[ 117 ]}

على المستوى الميكروسكوبي، تُعدّ قابلية سطح المادة للتبلل عاملاً هاماً في اختيارها ، نظراً لتأثيرها على حركة السباح الميكروي. تُنتج الأسطح الكارهة للماء زاوية تلامس كبيرة مع السائل، مما يُقلل من عزم الاحتكاك المؤثر على جسم السباح الميكروي، وبالتالي يُقلل من عدد الخطوات اللازمة للحركة. ^{[ 118 ]}

كيّفت الكائنات الدقيقة حركتها مع البيئة القاسية ذات أرقام رينولدز المنخفضة من خلال استخدام استراتيجيات سباحة مختلفة. ^{[ 119 ]} فعلى سبيل المثال، تتحرك بكتيريا الإشريكية القولونية بتدوير سوطها الحلزوني، ^{[ 120 ] [ 121 ]} وتتحرك أسواط الكلاميدوموناس بحركة تشبه سباحة الصدر. ^{[ 122 ]} أما التريبانوسوما الأفريقية فلها سوط حلزوني متصل بجسم الخلية، وتمر من خلاله موجة مستوية. ^{[ 123 ] [ 124 ]} وقد خضعت سباحة هذه الكائنات الطبيعية للدراسة والبحث على مدى نصف القرن الماضي. ^{[ 125 ]} نتيجةً لهذه الدراسات، تم اقتراح سباحين اصطناعيين، مثل صفيحة تايلور، ^{[ 126 ]} وسباح بورسيل ذو المفصلين، ^{[ 16 ] [ 127 ]} وسباح الكرات الثلاث المتصلة، ^{[ 128 ] [ 129 ] [ 130 ]} وسباح الكرتين المرن ، ^{[ 131 ]} وسباح الكرات الثلاث ذو الذراع المرنة السلبية، ^{[ 132 ]} مما عزز فهمنا للسباحين ذوي أرقام رينولدز المنخفضة. يتمثل أحد التحديات في اقتراح سباح اصطناعي في أن حركة السباحة المقترحة يجب ألا تكون تبادلية، وإلا فلن يتمكن من دفع نفسه بسبب نظرية المحار. في نظرية المحار، جادل بورسيل بأن السباح ذو المفصل الواحد أو درجة حرية واحدة سيؤدي حركة تبادلية، وبالتالي لن يكون قادرًا على السباحة في نظام ستوكس. ^{[ 119 ] [ 16 ] [ 125 ]}

اقترح بورسل طريقتين محتملتين للتغلب على نظرية المحار، الأولى هي الحركة الحلزونية ^{[ 120 ] [ 113 ]} ، والأخرى هي حركة المجداف المرن ^{[ 133 ] [ 134 ]} . باستخدام مفهوم المجداف المرن، أبلغ دريفوس وآخرون عن سباح دقيق يستغل الخاصية المرنة لخيط رفيع مصنوع من خرزات مغناطيسية ^{[ 36 ]} . لكسر تناظر انعكاس الزمن، تم تثبيت رأس سلبي على الذراع المرن. يقلل الرأس السلبي من سرعة السباح المرن، فكلما كبر الرأس، زادت قوة السحب التي يتعرض لها السباح. يُعد الرأس ضروريًا للسباحة، لأنه بدونه يتحرك الذيل حركة ترددية، وتنخفض سرعة السباح إلى الصفر ^{[ 135 ] [ 125 ] .}

في دراسة أجراها هوانغ وآخرون ^{[ 136 ]} ، وُضعت سباحات مجهرية في محلول سكروز لتمثيل لزوجة مشابهة للدم، واختُبرت سباحات مجهرية مختلفة وقدرتها على الحركة داخل السائل باستخدام تقنيات مختلفة من الحركة الحلزونية والحركة بالمجداف المرن عند زوايا محاذاة مختلفة مع مجال مغناطيسي خارجي. نتيجةً لعدم المحاذاة، نتجت حركة حلزونية في حالتي المجداف المرن والحركة الحلزونية. في هذا الاختبار، كانت أسرع طريقة دفع هي تلك التي استخدمت فيها السباحة المجهرية ذات الجسم الأنبوبي والذيل المستوي المرن، وذلك بفضل الاستفادة من الحركة الحلزونية والحركة اللولبية المتولدة عند زاوية عدم محاذاة 30 درجة مع المجال المغناطيسي الخارجي. أما السباحات المجهرية التي اعتمدت على الحركة الحلزونية، فقد انخفضت سرعتها نتيجةً لزيادة مقاومة الماء التي واجهتها بسبب الحركة التذبذبية لجسمها. ومع ذلك، عندما يكون جسم السباح الصغير عموديًا على المجال المغناطيسي الخارجي، انخفضت حركة السباح الصغير ذي المجداف المرن بسبب نقص الحركة الحلزونية للجسم، بينما انخفض تأثير التذبذب على السباح الصغير اللولبي، مما مكنه من تحقيق حركة أفضل.

تتأثر حركة السباحة المجهرية الاصطناعية، سواءً الحلزونية أو باستخدام المجداف المرن، بشكل كبير بلزوجة السائل. فزيادة اللزوجة تُقلل من حركة السباحة المجهرية باستخدام أي من الطريقتين، إلا أن هذا الانخفاض يكون أكبر عند اللزوجة العالية في حالة استخدام نظام الدفع بالمجداف المرن. ويعود ذلك إلى انخفاض الحركة الحلزونية لجسم السباحة المجهرية، مما يزيد من مقاومة الماء التي يتعرض لها. ومن الآثار الأخرى انخفاض انحناء الذيل، مما يُقلل من قدرة السباحة المجهرية على التغلب على تناظر انعكاس الزمن.

_هناك طريقة أخرى لدفع الجسيمات المجهرية وهي التفاعلات التحفيزية. استلهامًا من وايتسايدز، الذي استخدم تحلل بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂ ₎ لدفع أجسام بحجم سنتيمترات/ملليمترات على سطح الماء، ^{[ 137 ]} قام سين وآخرون (2004) بتصنيع محركات تحفيزية في نطاق الميكرومتر. ^{[ 100 ]} كانت هذه الجسيمات المجهرية عبارة عن جسيمات قضيبية الشكل بقطر 370 نانومتر، تتكون من قطع من البلاتين والذهب بطول 1 ميكرومتر. كانت تتحرك عبر تحلل بيروكسيد الهيدروجين في المحلول، والذي يُحفز لإنتاج الماء والأكسجين. استطاعت قضبان البلاتين/الذهب الوصول باستمرار إلى سرعات تصل إلى 8 ميكرومتر/ثانية في محلول من بيروكسيد الهيدروجين بتركيز 3.3%. ينتج عن تحلل بيروكسيد الهيدروجين في جانب البلاتين الأكسجين وبروتونين وإلكترونين. ستتحرك البروتونات والإلكترونات نحو الذهب، حيث ستتفاعل مع جزيء آخر من بيروكسيد الهيدروجين لإنتاج جزيئين من الماء. وتؤدي حركة البروتونات والإلكترونات عبر القضيب إلى سحب السائل نحو جانب الذهب، مما يدفع القضيب في الاتجاه المعاكس. وتُعرف هذه الآلية بالهجرة الكهربائية الذاتية، وهي المسؤولة عن حركة هذه القضبان. ^{[ 101 ]} وأظهر تحليل إضافي لقضبان البلاتين/الذهب قدرتها على الانجذاب الكيميائي نحو تراكيز أعلى من بيروكسيد الهيدروجين، ^{[ 102 ]} ونقل المواد، ^{[ 103 ]} كما أظهرت حركة قابلة للتوجيه في مجال مغناطيسي خارجي عند إضافة أجزاء داخلية من النيكل. ^{[ 103 ]}   

أُبدي اهتمام باستخدام الموجات الصوتية عالية التردد لتوجيه السباحين المجهريين، وذلك بعد أن أقرت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية سلامتها للدراسات السريرية، مما يسمح باستخدامها في التطبيقات الطبية الحيوية. ^{[ 138 ]}   صُمم السباح المجهري بسطح كاره للماء، مصنوع من راتنج، ويحتوي على تجاويف صغيرة تُنتج فقاعة هوائية عند غمره في سائل. عند تطبيق الموجات الصوتية عالية التردد على السباح المجهري، تُحدث الفقاعة تذبذبات تُولد حركة كافية لدفع السباح المجهري في اتجاه مُتحكم به.

تتمثل إحدى الطرق الإضافية التي يمكن للسباحات المجهرية من خلالها التحرك في الاستجابة لاختلاف درجة الحرارة. صمم هوانغ وآخرون ^{[ 139 ]} سباحًا مجهريًا لدراسة التحكم في شكل سباح مجهري ثلاثي الأبعاد. يتكون هذا السباح المجهري من طبقة صلبة غير قابلة للتمدد من بولي (إيثيلين جلايكول) ثنائي أكريلات (PEGDA) مُدمجة مع طبقة هيدروجيل من N-أيزوبروبيل أكريلاميد (NIPAAm) تستجيب للحرارة. تحتوي طبقة الهيدروجيل على جسيمات نانوية مغناطيسية قادرة على التحكم في محاور الطي. من خلال محاذاة الجسيمات المغناطيسية على طول محاور الطي، يُمكن لتغير درجة الحرارة أن يُحدث تحكمًا فعالًا في شكل السباح المجهري لدفعه في السائل. مثال آخر على التحكم الحراري هو استخدام هيدروجيل pNIPAM-AAc المُدمج بأكسيد الحديد، والذي يُمكن التحكم فيه بواسطة مجال مغناطيسي. ^{[ 140 ]}   من خلال الجمع بين المجالات المغناطيسية والمواد المستجيبة لدرجة الحرارة، يُمكن تحقيق تحكم ديناميكي.

لقد تم إثبات قدرة السباحين المجهريين على الحركة دون قوى خارجية. واستلهامًا من خنافس الميكروفيليا القادرة على الانزلاق على الماء بسرعات عالية، يُقترح أن تستفيد هذه السباحات المجهرية من تأثير مارانغوني، وهو انتقال الكتلة عبر تدرج التوتر السطحي للسائل. وقد أثبت تشوي وزملاؤه أن السباحين المجهريين المُشكّلين ضوئيًا، دون أي نظام تشغيل ميكانيكي أو قوة خارجية، قادرون على عبور سائل عبر مصدر وقود من كحول البولي فينيل (PVA)، الذي يُحدث توترًا سطحيًا في الماء بمجرد ذوبانه. ^{[ 141 ]}

الاستجابة للمؤثرات

تحتاج السباحات المجهرية الاصطناعية أو الاصطناعية القابلة لإعادة التشكيل إلى تغذية راجعة داخلية ^{[ 143 ].} غالبًا ما تُقترح الجسيمات المجهرية ذاتية الدفع كنماذج اصطناعية للسباحات المجهرية البيولوجية، إلا أنها تفتقر إلى التكيف المنظم داخليًا الموجود في نظيراتها البيولوجية. في المقابل، يمكن ترميز التكيف في الأجهزة الروبوتية اللينة واسعة النطاق، لكن نقله إلى النطاق الغرواني لا يزال صعبًا ^{[ 143 ] .}

يرتبط انتشار البكتيريا المتحركة ونجاحها ارتباطًا وثيقًا بقدرتها على التكيف الذاتي مع البيئات المختلفة، إذ يمكنها إعادة تشكيل بنيتها وعمليات الأيض والحركة عبر آليات التغذية الراجعة الداخلية. ^{[ 144 ] [ 145 ]} وقد يُحدث ابتكار سباحين مجهريين اصطناعيين يتمتعون بقدرات تكيف مماثلة وسلوك ذاتي تأثيرًا كبيرًا على التقنيات، بدءًا من النقل الأمثل وصولًا إلى الاستشعار والروبوتات الدقيقة. ^{[ 146 ]} وبالتركيز على التكيف، تعتمد الأساليب الحالية على المستوى الغرواني في الغالب على التغذية الراجعة الخارجية، إما لتنظيم الحركة عبر التعديل المكاني والزماني لسرعة واتجاه الدفع ^{[ 147 ] [ 142 ] [ 148 ] [ 149 ]} أو لإحداث تغييرات في الشكل عبر نفس المجالات المغناطيسية أو الكهربائية، ^{[ 150 ] [ 151 ] [ 152 ]} التي تُحرك الجسيمات أيضًا. على النقيض من ذلك، فإن تزويد السباحين المجهريين الاصطناعيين بآلية تغذية راجعة داخلية، تنظم الحركة استجابةً للمحفزات المنفصلة عن مصدر الدفع، لا يزال مهمة صعبة المنال. ^{[ 143 ]}

يُعدّ استغلال العلاقة بين شكل الجسيمات وحركتها مسارًا واعدًا لتحقيق هذا الهدف. فعلى سبيل المثال، من خلال تصميم بسيط للشكل، يمكن للمحركات الدقيقة المصنوعة من البلاتين أن تُنفّذ مسارات حركة متنوعة، من الخطية للغاية إلى المدارية، عند تعريضها لبيروكسيد الهيدروجين. ^{[ 153 ]} ويمكن تحقيق تبديل فعّال بين حالات الدفع المختلفة، على سبيل المثال، من خلال التجميع التلقائي لتجمعات نشطة ذات أشكال هندسية مختلفة، ^{[ 154 ] [ 155 ] [ 156 ] [ 157 ]} على الرغم من أن هذه العملية لا تتمتع بالتحكم الحتمي المطلوب. في المقابل، يوفر تصميم التجمعات الغروية ذات الأشكال والتركيبات الثابتة تحكمًا دقيقًا في الحركة ^{[ 158 ] [ 159 ] [ 160 ]} ولكنه يفتقر إلى القدرة على التكيف. على الرغم من إحراز تقدم في مجال الروبوتات القابلة لإعادة التشكيل على مستوى المليمتر الفرعي، ^{[ 161 ] [ 162 ] [ 163 ] [ 164 ] [ 165 ]} فإن تصغير هذه المفاهيم إلى المستوى الغرواني يتطلب تصنيعًا وتصميمًا بديلين. تجمع التجمعات الغروانية متغيرة الشكل، التي تعيد تشكيل نفسها على طول مسار محدد مسبقًا استجابةً للمؤثرات الموضعية ^{[ 166 ]} ، بين هاتين الخاصيتين، مما يمنحها إمكانات عالية لتحقيق رؤية السباحين المجهريين الاصطناعيين القابلين للتكيف. ^{[ 143 ]}

يمكن تعريف ما يُسمى بالسباح المجهري الحيوي الهجين بأنه سباح مجهري يتكون من أجزاء بيولوجية وصناعية، على سبيل المثال، كائن حي دقيق واحد أو أكثر مُرتبط بجزء صناعي واحد أو عدة أجزاء. يستخدم النهج الحيوي الهجين الكائنات الحية الدقيقة مباشرةً كمكون رئيسي أو قاعدة مُعدلة لسباح مجهري وظيفي. ^{[ 169 ] [ 170 ]} في البداية، استُخدمت الكائنات الدقيقة كوحدات حركية للأجهزة الصناعية، ولكن في السنوات الأخيرة، توسع هذا الدور وتطور ليشمل وظائف أخرى تستفيد من القدرات البيولوجية لهذه الكائنات، مع الأخذ في الاعتبار وسائل تفاعلها مع الخلايا الأخرى والمواد الحية، وتحديدًا للتطبيقات داخل جسم الإنسان مثل توصيل الأدوية أو الإخصاب. ^{[ 171 ] [ 172 ] [ 76 ]}

تتمثل إحدى المزايا الفريدة للكائنات الدقيقة في قدرتها على دمج الحركة ووظائف بيولوجية متنوعة في بنية مصغرة ملائمة، إلى جانب قدرات استشعار واتخاذ قرارات ذاتية. فهي قادرة على التكيف والنمو في بيئات حيوية معقدة ، ولديها القدرة على إصلاح نفسها وإعادة تجميع نفسها عند تفاعلها مع محيطها. وبهذا المعنى، تعمل الكائنات الدقيقة ذاتية الاكتفاء بشكل مشابه لما نتصوره للروبوتات الدقيقة المصنعة: فهي تستمد الطاقة الكيميائية من محيطها لتشغيل البروتينات الحركية الجزيئية التي تعمل كمحركات، وتستخدم قنوات أيونية وشبكات أنبوبية دقيقة كوصلات داخلية، وتعتمد على الحمض النووي الريبوزي (RNA) أو الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) كذاكرة لخوارزميات التحكم، وتتميز بمجموعة متنوعة من البروتينات الغشائية لاستشعار محيطها وتقييمه. تعمل كل هذه القدرات معًا لتمكين الميكروبات من النمو وتحقيق هدفها ووظيفتها. من حيث المبدأ، تؤهلها هذه القدرات أيضًا لتكون روبوتات دقيقة بيولوجية لعمليات جديدة مثل التشخيص والعلاج المتكاملين، إذا تمكنا من فرض هذه الوظائف بشكل مصطنع، على سبيل المثال، من خلال إضافة العلاجات إليها. علاوة على ذلك، يمكن استخدام الامتدادات الاصطناعية كأدوات للتحكم الخارجي وآليات الإشراف أو لتعزيز أداء الميكروب لتوجيه وظائفه وتخصيصها لتطبيقات محددة. ^{[ 76 ]}

في الواقع، يمكن تصور النهج الحيوي الهجين بطريقة ثنائية، فيما يتعلق بالمكونات الأساسية الثلاثة للروبوت الميكروي الحيوي، وهي الحركة والتحكم والوظيفة. يوضح الشكل 1 كيف يمكن تحقيق هذه المكونات الثلاثة بيولوجيًا، أي بواسطة الكائن الحي الدقيق، أو اصطناعيًا، أي بواسطة المكون الاصطناعي. على سبيل المثال، يمكن تشغيل محرك حيوي ميكروي هجين قائم على خلية منوية بواسطة سوط الحيوان المنوي أو بواسطة سوط حلزوني اصطناعي مُلحق. ^{[ 173 ] [ 174 ]} يمكنه توجيه نفسه ذاتيًا من خلال التفاعلات البيولوجية مع محيطه والخلايا الأخرى، أو يمكن التحكم فيه ومراقبته خارجيًا عبر أجهزة استشعار ومحركات اصطناعية. أخيرًا، يمكنه أداء وظيفة بيولوجية، مثل قدرته الفطرية على تخصيب البويضة، أو وظيفة مفروضة اصطناعيًا، مثل توصيل الأدوية الاصطناعية أو نواقل الحمض النووي. يمكن للجهاز الحيوي الهجين استخدام أي مزيج ممكن من هذه المكونات البيولوجية والاصطناعية لتنفيذ تطبيق محدد. ^{[ 76 ]}

مثال آخر على النهج الحيوي الهجين هو تصميم سباح مجهري لدراسة تحفيز العضلات الهيكلية. يُصنع هذا السباح المجهري من جسيمات نانوية من أكسيد الحديد مغطاة بطبقة من طحالب الكلوريلا الدقيقة، مما يسمح باستخدامه في بيئات بيولوجية مختلفة مع الحفاظ على درجة عالية من التحكم بفضل الجسيمات النانوية فائقة المغناطيسية. ^{[ 62 ]}   وبتوجيه من مجال مغناطيسي خارجي، يستطيع السباح المجهري الوصول إلى هدفه. ويمكن تعريضه بأمان لأشعة ليزر الأشعة تحت الحمراء القريبة، مما يؤدي إلى تسخين الجسيمات النانوية عبر تأثير حراري ضوئي، وبالتالي تحفيز انقباض موجه في العضلات الهيكلية. تُظهر هذه التقنية طريقة آمنة وقابلة للتحكم للحركة داخل البيئة البيولوجية.

يمكن للديناميكا المائية تحديد المسار الأمثل لتوجيه السباحين المجهريين ^{[ 175 ].} بالمقارنة مع مشكلة توجيه جسم كبير، كطائرة أو مركبة هبوط على سطح القمر، للوصول الأمثل إلى هدف ما، وهي مشكلة دُرست جيدًا، فإن استراتيجيات التوجيه الأمثل للسباحين المجهريين الذين يتعرضون لتفاعلات ديناميكية مائية مع الجدران والعوائق لا تزال غير مفهومة بشكل كافٍ ^{[ 175 ]} . علاوة على ذلك، تُنتج التفاعلات الديناميكية المائية في معلقات السباحين المجهريين سلوكًا معقدًا ^{[ 176 ] [ 177 ]} . يُعد البحث عن كيفية التوجيه الأمثل للوصول إلى هدف ما أمرًا بالغ الأهمية، على سبيل المثال، بالنسبة للطائرات لتوفير الوقود عند مواجهة أنماط رياح معقدة في طريقها إلى وجهة بعيدة، أو لتنسيق حركة أجزاء مركبة فضائية للهبوط الآمن على سطح القمر. هذه المشكلات الكلاسيكية دُرست جيدًا، وعادةً ما تُحل باستخدام نظرية التحكم الأمثل . ^{[ 178 ]} وبالمثل، فإن استراتيجيات الملاحة والبحث شائعة في العديد من الأنظمة البيولوجية، بما في ذلك بحث الحيوانات عن الطعام، ^{[ 179 ]} أو بحث الخلايا التائية عن أهداف لإطلاق استجابة مناعية. ^{[ 180 ]}

يتزايد الاهتمام بمسائل الملاحة المثلى واستراتيجيات البحث ^{[ 181 ] [ 182 ] [ 183 ] ​​[ 184 ] [ 185 ] [ 186 ]} للميكروسبايرات ^{[ 64 ] [ 112 ] [ 187 ] [ 188 ]} وجزيئات براون النشطة "الجافة" ^[ 189 ^{] [ 108 ] [ 190 ] [ 191 ] [ 175 ] .} ويمكن الإشارة إلى المسألة العامة المتعلقة بالمسار الأمثل للميكروسباير الذي يمكنه التوجيه بحرية ولكنه لا يستطيع التحكم في سرعته نحو هدف محدد مسبقًا (الملاحة من نقطة إلى نقطة) باسم "مسألة الملاحة المثلى للميكروسبايرات". وتكمن الاختلافات المميزة بين مسألة الملاحة المثلى للميكروسبايرات ومسائل التحكم الأمثل التقليدية للعوامل الكبيرة مثل الطائرات أو السفن السياحية أو المركبات القمرية في وجود مذيب ذي عدد رينولدز منخفض في المسألة الأولى فقط. تشمل هذه العوامل (أ) الديناميكيات ذات التخميد الزائد، (ب) التقلبات الحرارية، و(ج) التفاعلات الهيدروديناميكية بعيدة المدى التي تتوسطها السوائل مع الأسطح والجدران والعوائق، وكلها خصائص مميزة للسباحين المجهريين. ^{[ 108 ]} وعلى وجه الخصوص، تتطلب القوى الهيدروديناميكية غير المحافظة التي يتعرض لها السباحون المجهريون استراتيجية ملاحة مختلفة عن تلك التي تؤثر بها قوى الجاذبية المحافظة، كما هو الحال في المركبات الفضائية. وقد استكشفت الدراسات الحديثة مشاكل الملاحة المثلى للجسيمات النشطة الجافة (والجسيمات في حقول التدفق الخارجية) مع مراعاة (أ) وجزئيًا (ب). وعلى وجه التحديد، ريادت الأبحاث الحديثة استخدام التعلم المعزز ^{[ 192 ] [ 193 ] [ 194 ]} ، مثل تحديد استراتيجيات التوجيه المثلى للجسيمات النشطة للتنقل الأمثل نحو موقع مستهدف ^{[ 181 ] [ 182 ] [ 185 ] [ 186 ]} أو لاستغلال حقول التدفق الخارجية لتجنب الوقوع في هياكل تدفق معينة من خلال تعلم الجاذبية الذكية . ^{[ 195 ]} تم استخدام التعلم العميق المعزز لاستكشاف مشاكل الملاحة للسباحين الصغار في المتاهات ومصفوفات العوائق ^{[ 196 ]} بافتراض عالمي ^{[ 182 ]}أو معرفة محلية فقط بالبيئة ^{[ 183 ] . تُكمّل المناهج التحليلية للملاحة النشطة المثلى للجسيمات [ 184 ] [ 185 ]} هذه الأعمال وتسمح باختبار نتائج التعلم الآلي. ^{[ 185 ] [ 186 ] [ 175 ]}

من الأمثلة الناجحة على استخدام التعلم الآلي في الحركة لأغراض الملاحة، دراسة زو وآخرون، حيث استلهموا فكرتها من قدرة الكائنات الدقيقة على التبديل الطبيعي بين أنماط الحركة المختلفة، مثل الجري والتقلب أو التدحرج والقفز، وذلك تبعًا لحاجة التنقل في البيئة. ^{[ 197 ]}   وقد أتاح نظام الذكاء الاصطناعي تطوير أنماط حركة مميزة للتوجيه والانتقال والحركة الانتقالية.

كما هو الحال بالنسبة لتقنيات النانو والتقنيات الدقيقة عمومًا، يُمكن القول إن تاريخ تطبيقات السباحين المجهريين يبدأ بمحاضرة ريتشارد فاينمان الشهيرة " هناك متسع كبير في القاع" . ^{[ 198 ]} في هذا الخطاب الرؤيوي، تناول فاينمان، من بين مواضيع أخرى، فكرة الجراحين المجهريين، قائلاً: "...سيكون من المثير للاهتمام في الجراحة لو أمكن ابتلاع الجراح. يتم وضع الجراح الميكانيكي داخل الوعاء الدموي، فيدخل إلى القلب وينظر حوله (بالطبع يجب إرسال المعلومات). يكتشف أي صمام معطل، ثم يأخذ سكينًا صغيرًا ويقطعه. قد تُدمج آلات صغيرة أخرى بشكل دائم في الجسم لمساعدة بعض الأعضاء التي لا تعمل بشكل كافٍ." بعد ذلك بوقت قصير، عُرض مفهوم الجراح الذي يمكن ابتلاعه في فيلم الخيال العلمي " الرحلة الرائعة" وفي كتابات إسحاق أسيموف . ^{[ 1 ]}

يُمكّن السلوك الجماعي للسباحين المجهريين استجابةً للمؤثرات البيئية من أداء وظائف متنوعة وتقديم تطبيقات مذهلة. ^{[ 200 ]} بعد بضعة عقود فقط، تطورت فكرة السباحين المجهريين، الذين يطمحون لأن يصبحوا جراحين مجهريين حقيقيين، من مفهوم خيالي علمي مثير للاهتمام إلى واقع يتم استكشافه في العديد من المختبرات البحثية حول العالم، كما أشار إليه متين سيتي في عام 2009. ^{[ 201 ] [ 1 ]} قد تلعب هذه العوامل النشطة، القادرة على الحركة الذاتية في بيئة ذات عدد رينولدز منخفض ، دورًا رئيسيًا في مستقبل الطب النانوي ، كما شاع في عام 2016 على يد يوفال نوح هراري في كتابه "هومو ديوس: تاريخ موجز للغد" . ^{[ 202 ]} وعلى وجه الخصوص، قد تصبح هذه التقنيات مفيدة في التوصيل الموجه للجينات ^{[ 203 ]} أو الأدوية ^{[ 204 ] [ 205 ]} وغيرها من المواد ^{[ 206 ] [ 207 ]} إلى هدف محدد (مثل خلية سرطانية) عبر الأوعية الدموية، مما يتطلب منها إيجاد مسار جيد، أو مثالي، نحو الهدف مع تجنب العوائق ومناطق تدفق الدم غير المرغوب فيها. ^{[ 175 ]}

في عام 2010، استعرض نيلسون وزملاؤه التطبيقات الحالية والمتوقعة للروبوتات الدقيقة في الطب طفيف التوغل . ^{[ 208 ]} ومنذ ذلك الحين، نما هذا المجال، واتضح جليًا أن للسباحات الدقيقة إمكانات هائلة في التطبيقات الطبية الحيوية. ^{[ 1 ]} ويمكن بالفعل تنفيذ العديد من المهام المهمة في المختبر باستخدام سباحات دقيقة مصممة خصيصًا. ومع ذلك، وحتى عام 2020، لا تزال هناك تحديات عديدة تتعلق بالتحكم داخل الجسم الحي ، والتوافق الحيوي، والسلامة الحيوية على المدى الطويل، والتي يجب التغلب عليها قبل أن تصبح السباحات الدقيقة خيارًا عمليًا للعديد من التطبيقات السريرية. ^{[ 209 ] [ 1 ]}

يُظهر الرسم التخطيطي أدناه على اليسار تصنيفًا مبسطًا للتطبيقات الطبية الحيوية. ويشمل ذلك استخدام السباحات المجهرية لنقل المواد في توصيل الأدوية وغيرها من التطبيقات الطبية الحيوية، بالإضافة إلى الإخصاب المساعد، والاستشعار، والتلاعب الدقيق، والتصوير. بعض السباحات المجهرية الأكثر تعقيدًا تندرج ضمن فئات متعددة، حيث تُستخدم في آنٍ واحد لأغراضٍ مثل الاستشعار وتوصيل الأدوية. ^{[ 1 ]}

يتطلب تصميم آلة مجهرية متحركة أو روبوت دقيق غير مقيد، قادر على العمل داخل الجسم الحيّ لأغراض التدخل الطبي، اتباع نهج متكامل يشمل تصميم الشكل ثلاثي الأبعاد، وتركيب المواد، وتقنية التصنيع، واستراتيجية النشر، وطرق التشغيل والتحكم، وتقنية التصوير، واختراق الحواجز البيولوجية، وتنفيذ المهام الطبية المحددة، كما هو موضح في الرسم البياني على اليمين أعلاه. يتضمن كل جانب من هذه الجوانب الأساسية اعتبارًا تصميميًا خاصًا، يجب أن ينعكس في التصميم المادي للروبوت الدقيق. ^{[ 210 ]}

لا يزال إيصال العوامل العلاجية إلى مواقع دقيقة في الأنسجة العميقة يُمثل تحديًا كبيرًا، إذ تقل فعالية التنشيط المغناطيسي كلما انخفضت كثافة التدفق المغناطيسي كلما ابتعدنا عن منصة التحكم الكهرومغناطيسي. وقد أظهرت السباحات المجهرية الهجينة الحيوية إمكانات واعدة في مجال توصيل الأدوية، لقدرتها على توصيل الأدوية بدقة إلى أورام السرطان في الأنسجة العميقة، ومن الأمثلة على ذلك البكتيريا المغناطيسية الساكنة. اكتُشفت البكتيريا المغناطيسية الساكنة (MTB) في سبعينيات القرن الماضي، ومنذ ذلك الحين، دُرست آليتها وديناميكيتها بشكل مكثف. تُعد بكتيريا Magnetospirillum gryphiswaldense، وهي بكتيريا ألفا بروتينية دقيقة هوائية، من أكثر أنواع البكتيريا المغناطيسية الساكنة دراسةً، وتحتوي على كمية كبيرة من الماغنيتيت Fe3O4 الذي _يعمل كبوصلة داخلية توجه البكتيريا مع المجال المغناطيسي المحيط. ^{[ 211 ]} _وقد أظهرت دراسة حديثة أجراها ميرخاني وآخرون توصيل الأدوية باستخدام بكتيريا مغناطيسية ساكنة (MTB) يتم التحكم فيها بواسطة مجالات مغناطيسية دوارة (RMF) على نموذج ورم في الفئران. ^{[ 212 ]} تعمل تقنية المجال المغناطيسي الدوار (RMF) على تركيز كثافة عزم الدوران المغناطيسي ضمن مناطق محددة عن طريق توليد مجال اختيار مغناطيسي ثابت مع نقطة أو خط خالٍ من المجال. وقد أكدت التجارب العملية باستخدام نموذج ورم الفأر فعالية التحكم بتقنية RMF في تعزيز سرعة الانتقال واختراق الجسيمات النانوية المغناطيسية (MTB) للأنسجة العميقة. وتتمتع هذه الاستراتيجية بإمكانية إيصال الدواء بشكل جهازي مع انتقائية مكانية عالية.

من التطبيقات المقترحة الأخرى استخدام السباحين المجهريين للمساهمة في تحسين حماية البيئة عن طريق تقليل كمية النفايات والملوثات في مختلف أنحاء البيئة. ومن أمثلة الملوثات التي يمكن تقليلها أو إزالتها من البيئة: الجزيئات البلاستيكية الدقيقة، والمواد الكيميائية المشتقة من النفط، وغيرها من النفايات. ويجري تطوير مجموعة واسعة من السباحين المجهريين في مختبرات الأبحاث لهذا الغرض، باستخدام أنظمة تشغيل متنوعة تعتمد على فيزياء متعددة، بما في ذلك الضوء والمجال المغناطيسي والتدرجات الكيميائية. ^{[ 213 ]}   ومن الأمثلة على ذلك إزالة ثنائي الفينول أ (BPA)، وهو منتج نفايات شائع من المصانع التي تنتج منتجات بلاستيكية. ومن الأمثلة على ذلك سباح مجهري طوره ديكانوفسكي وآخرون، باستخدام سباح مجهري قائم على مادة المكسين، ويتم التحكم فيه بواسطة الضوء. يتكون نظام الدفع من عنصرين: عنصر المكسين المطعم بجزيئات نانوية، وطبقة من أكسيد الحديد. ويتفاعل هذان العنصران كيميائيًا مع ثنائي الفينول أ، حيث تنتج النواتج فقاعات أكسجين تدفع السباح المجهري إلى الأمام. ^{[ 214 ]}   تُجرى أبحاثٌ حاليًا لتصميم سباحين مجهريين اصطناعيين يتفاعلون مع مواد كيميائية أخرى مُهدرة للحد من التلوث البيئي. ويجري تصميم العديد من السباحين المجهريين الاصطناعيين الحاليين لاستخدام نظام دفع متعدد الفيزياء يعتمد على قوة مغناطيسية إلى جانب نظام كيميائي أو بصري.

• الإلهام الحيوي
• الروبوتات المستوحاة من الطبيعة
• الهندسة المستوحاة من الطبيعة
• مادة رمادية لزجة
• الحيوانات المنوية الآلية
• الروبوتات اللينة
• سكويرمر