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Du chaos déterministe qui reproduit l’aléatoire des micronageurs vivants

publié le , mis à jour le

Plusieurs microorganismes (bactéries, algues..) explorent l’espace ambiant à la recherche de nutriments en suivant une marche linéaire pendant un certain temps (appelé « run ») suivi d’un changement brusque de direction (appelé « tumble ») et ainsi de suite. Ce type de trajectoire est connu sous le nom de « run-and-tumble ». Sur une durée assez longue (enregistrant plusieurs dizaines ou centaines de runs et tumbles), la trajectoire ressemble à une marche aléatoire, permettant de couvrir l’espace efficacement en quête de nourriture. L’alternance entre le run et le tumble est un phénomène régulé biochimiquement grâce à des récepteurs (des protéines) ancrés dans la membrane cytoplasmique du microorganisme. Les micro-organismes ont dû développer une stratégie biochimique complexe leur permettant de naviguer plus efficacement dans l’espace que par l’utilisation du seul mouvement brownien.

Le travail théorique réalisé au Liphy montre que des nageurs artificiels (particules phorétiques) peuvent exécuter de manière autonome le même type de mouvement de run et tumble que les microorganismes vivants en évoquant des mécanismes uniquement physiques relativement simples, mais robustes. Il est montré que ce type de trajectoire est le résultat d’instabilité de la trajectoire rectiligne qui puise sa source dans les effets non linéaires, à l’origine de la propulsion de la particule. Le mouvement de ces nageurs artificiels, dépourvus donc de toute régulation biologique, mime avec une ressemblance remarquable le mouvement de vrais organismes. Ce mouvement d’apparence aléatoire résulte d’une transition vers le chaos d’origine purement déterministe, i.e. sans ingrédient probabiliste. Cette découverte montre qu’il est possible de faire explorer l’espace aux nageurs artificiels avec des ingrédients minimaux sans avoir recours à une stratégie biochimique complexe. Cette découverte permet une compréhension fine des micronageurs artificiels qui dans le futur pourront être destinés à effectuer des tâches plus ou moins complexes de nanorobotique, telle la thérapie ciblée, la microchirurgie ou encore l’assainissement environnemental.

Voir en ligne : Chaotic Swimming of Phoretic Particles Wei-Fan Hu, Te-Sheng Lin, Salima Rafai, and Chaouqi Misbah Phys. Rev. Lett. 2019