Apulaisprofessori Matilda Backholm ei osannut odottaa, että lasinpuhalluksesta tulisi osa hänen varhaista väitöskirjatyötään. Omien työkalujen valmistaminen osoittautui kuitenkin parhaaksi vaihtoehdoksi, kun hän pyrki löytämään herkemmän tavan mitata, miten nämä pienet eliöt uivat. Näin valmistui Backholmin kehittämä ainutlaatuinen lasinen mikropipettivoima-anturi.
Backholm paitsi opetteli käyttämään tätä mikropipettivoima-anturiaan, hän myös laajentaa nyt tekniikkaansa paljastamaan suolakatkaravun ja sen parvien monimutkaisia uintikuvioita.
Vain yhden millimetrin mittaiset suolakatkaravut asettuvat Backholmin uusimmassa tutkimuksessa mikro- ja makroskooppisten organismien välimaastoon, jota hän kutsuu mesoskaalaksi. Pienen koon ei kuitenkaan kannata antaa hämätä - näiden mesoskooppisten katkarapujen uintikäyttäytymisellä voi olla lupaavia sovelluksia tuoreella mesorobotiikan alalla.
Euroopan tutkimusneuvosto ERC kertoi 5. syyskuuta, että se myöntää Backholmille erittäin tavoitellun, 1,5 miljoonan euron aloitusapurahan. Backholm on innoissaan tutkimuksen aloittamisesta.
"On suorastaan ylellistä, että voimme viisivuotisessa hankkeessamme keskittyä vain tieteen korkealaatuisuuteen. Tutkimuksemme tavoitteena on loppujen lopuksi ymmärtää fysiikkaa, ja nautin suuresti tällaisesta uteliaisuuteen pohjaavasta tieteestä, jossa pääsemme alan suurten kysymysten äärelle”, Backholm toteaa.
Miten suolakatkaravut liikkuvat monimutkaisissa mesoskaalan järjestelmissä? Miten järjestelmän hydrodynamiikka muuttuu, kun katkarapupari ui lähellä toisiaan? Entä katkarapuparvi? Muun muassa näihin kysymyksiin Backholm pyrkii vastaamaan kokeellisessa tutkimuksessaan.
Mikroskooppiset eliöt ovat viskositeettipainotteisia uimareita, kun makroskooppiset taas uivat massavoiman avulla. Backholmin tutkimuskohteena olevat suolakatkaravut sijoittuvat jonnekin näiden välille. Hänen mukaansa suolakatkarapujen liikkeen mittaaminen on kuitenkin hankalaa, koska se on ajasta riippuvaista ja epäjohdonmukaista.
Suunnitelma katkarapujen tutkimiseen on seuraava: Backholm ottaa katkaravun kiinni mikropipettivoima-anturin kärjellä. Se on joustava ja ontto lasineula, joka käyttää imua kohteen taltuttamiseen. Mikropipetin asento analysoidaan sitten mikroskoopilla, ja uivan katkaravun aiheuttaman pienen liikkeen perusteella Backholm pystyy määrittämään liikkeeseen käytetyn voiman. Hän tekee tämän sekä yksittäisille katkaravuille että jopa seitsemän katkaravun ryhmille.
Kun Backholm tarkastelee katkarapujen uintitapaa sekä yksittäin että parviolosuhteissa, hänen tutkimuksensa tuo tarpeellista lisätietoa näiden ainutlaatuisen kokoisten organismien tutkimuksen vielä hyvin rajalliseen tietopankkiin.
Lyhyellä aikavälillä Backholmin havainnot viitoittavat tietä mesokokoisten eliöiden jatkotutkimukselle, joka on elävän aineen fysiikan toistaiseksi tutkimaton osa-alue. Pitkällä aikavälillä tulokset kuitenkin voivat tarjota mullistavaa tietoa biolääketieteellisissä sovelluksissa käytettävien mesorobottiparvien rakentamiseksi. Tämä voi tarkoittaa esimerkiksi niin sanottua "nieltävää kirurgiaa".
"Nämä katkaravut ovat hyvin pitkän ajan kuluessa kehittyneet uimaan omalla tavallaan. Sen sijaan, että aloittaisimme tyhjästä, voimme itse asiassa oppia luonnosta. Jos haluamme rakentaa pienen, monista roboteista koostuvan parven, suolakatkaravun uintikuvio, uintitiheys ja liiketyyppi voivat antaa meille tietoa siitä, miten voimme tehdä roboteista mahdollisimman tehokkaita”, Backholm sanoo.
Mesoskooppiset robottiparvet voivat kuulostaa aivan scifiltä, ja tällaisen teknologian toteuttaminen onkin vielä kaukana tulevaisuudessa. Backholmin mukaan vapaus tehdä tällaista perustutkimusta on edellytys kyseiselle kehitykselle.
"Voidaksemme valmistaa jotakin keinotekoisesti itse meidän on ensin tehtävä tarvittava taustatyö. Tämän hankkeen tarkoituksena on tieteellisen huippuosaamisen saavuttaminen. Ja siihen me keskitymme”, Backholm toteaa.
How do brine shrimp manoeuvre through the complex regime of a mesoscale world? How do the hydrodynamics change when a pair of shrimp swim close together? What about a swarm of shrimp? These are some of the questions Backholm aims to answer through her experiments.
In the familiar macroscopic world, the dynamics of swimming are dominated by inertia. When things get really tiny, viscosity becomes more important. But what about in between, in the realm where brine shrimp swim? Backholm says that measuring their behaviour will prove to be tricky, because their movements are time-dependent and nonlinear.
Here’s the plan: Backholm will catch the shrimp at the tip of the micropipette force sensor, which is a flexible, hollow glass needle that uses suction to subdue the subject. The position of the micropipette is then analysed under microscope, and any slight movement caused by the shrimp swimming will enable Backholm to determine the force.
She plans to do these experiments with individual shrimp and with groups as large as seven shrimp. By studying their swimming behaviour individually and in a swarm, Backholm will add to the limited data we have about organisms of this size.
Assistant Professor Matilda BackholmI'm a big fan of this type of curiosity-driven science where we really get to ask the big questions.
Backholm’s findings will pave the way for a better understanding of mesoscale movement. In the short term, this could fuel further research on mesoscale organisms—a poorly-explored avenue of living matter physics—but in the longer term, this work could provide key insights for building swarms of mesorobots with biomedical applications. Think ‘swallowable surgery,’ says Backholm.
‘These shrimp have evolved over a very large time span to swim the way they do. Rather than starting from scratch, we can actually learn from nature,’ says Backholm. ‘If we want to build a small swarm of robots, the brine shrimp’s swimming pattern, frequency, and type of motion can inform us how to make the robots as efficient as possible.’
Mesoscopic robot swarms may sound like science fiction (and indeed, realizing such a technology is far in the future), but Backholm says the freedom to conduct this type of fundamental research is the prerequisite for such advances.
‘We need to understand that in order to make something artificially ourselves, we first need to do that upfront legwork,’ she says. ‘The purpose of this project is achieving scientific excellence, and our sole focus is to do just that.’
Merkittävän rahoituksen saaneesta tutkimuksesta toivotaan keinoja ilmastonmuutoksen vastaiseen taisteluun muun muassa eroosion ehkäisemisessä ja ruokaturvan parantamisessa.
We develop new experimental and analytical tools to probe the dynamics and flow in mesoscale living, fluid, and soft systems. Our curiosity-driven research aims for discoveries in soft matter physics and at the interface between physics and biology.
