Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

61
SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 1 Model Pergerakan Dua- Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran Sparisoma Viridi 1* dan Nuning Nuraini 2 1 Physics Department, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha 10, Bandung 40132, Indonesia 2 Mathematics Department, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha 10, Bandung 40132, Indonesia * [email protected]

Transcript of Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

Page 1: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 1

Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida

berbasiskan Butiran

Sparisoma Viridi1* dan Nuning Nuraini2

1Physics Department, Institut Teknologi BandungJalan Ganesha 10, Bandung 40132, Indonesia2Mathematics Department, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha 10, Bandung 40132, Indonesia*[email protected]

Page 2: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 2

Outline

• Introduction• Model 1, Results 1, Summary 1• Model 2, Results 2, Summary 2• Model 3, Results 3, Summary 3• Acknowledgements

Page 3: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 3

Introduction

Page 4: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 4

Motion patterns of microorganism

• The patterns are unique: (1) orientation, (2) wobbling, (3) gyration, and (4) intensive surface probing (Leal-Taixé et al., 2010)

L. Leal-Taixé, M. Heydt, S. Weiße, A. Rosenhahn, B. Rosenhahn, Pattern Recognition 6376, 283-292 (2010).

Page 5: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 5

An active fluid

• Turbulence flow can occur in high viscous fluid or in low Reynolds number (Aranson, 2013)

I. Aranson, Physics 6, 61 (2013).

Page 6: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 6

Motion observations

• Sperm of sea urchin(Psammechinusmiliaris)

• Planar sinusoidalmotion (Keller &Rubinow, 1976)

J. B. Keller, S. I. Rubinow, Biophysical Jounal 16, 151-170 (1976).

Page 7: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 7

Motion observations (cont.)

• Same motion modewith multipleexposure

J. B. Keller, S. I. Rubinow, Biophysical Jounal 16, 151-170 (1976).

Page 8: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 8

Prokaryote propulsion data

C. Brennen, H. Winet, Annual Review of Fluid Mechanics 9, 339-398 (1977).

Page 9: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 9

Prokaryote propulsion data (cont.)

C. Brennen, H. Winet, Annual Review of Fluid Mechanics 9, 339-398 (1977).

Page 10: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 10

Eukaryote propulsion data

C. Brennen, H. Winet, Annual Review of Fluid Mechanics 9, 339-398 (1977).

Page 11: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 11

Eukaryote propulsion data (cont.)

C. Brennen, H. Winet, Annual Review of Fluid Mechanics 9, 339-398 (1977).

Page 12: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 12

Eukaryote propulsion data (cont.)

C. Brennen, H. Winet, Annual Review of Fluid Mechanics 9, 339-398 (1977).

Page 13: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 13

Brennen, ibid.

Page 14: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 14

Flagella as thruster

• Flagella introduces force and torque to the fluid (Yang et al., 2012)

C. Yang, C. Chen, Q. Ma, L. Wu, T. Song, Journal of Bionic Engineering 9, 200-210 (2012).

Page 15: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 15

Self-electrophoretic through membran

• Flow of ions thrusts the microorganism

P. Mitchell, FEBS Letters 28, 1-4 (2012).

Page 16: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 16

Shrink and swallow model

• Pressure difference can induce motion (Viridi and Nuraini, 2014)

S. Viridi, N. Nuraini, AIP Conference Proceedings 1587, 123-126 (2014).

Page 17: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 17

Model 1

S. Viridi, N. Nuraini, The International Symposium on BioMathematics (Symomath) 2015, 4-6 November 2015, Bandung, Indonesia

Page 18: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 18

Two grain model

• Two spherical particles as cells, which are connected by a spring

mi

mj

kij

Page 19: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 19

Push and pull spring force

• Spring force

lij is normal length of the spring

kij is spring constant

rij is distance between mass mi and mj

ijijijijij rlrkS ˆ

Page 20: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 20

Fluid drag force

• Drag force

Cd is drag constant

A is cross sectional areaρf is fluid density

vf is fluid velocity

fi

fidfi vv

vvCAD

3

21

Page 21: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 21

Change of spring normal length

• Spring normal length varies with time

Tbridge is oscillation period of bridge between cells

LT

tLlij

12sin

bridge

Page 22: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 22

Change of drag coefficient

• Both cell can have same or different Cd

i = 1, 2 for each particle

min,max,drag

min,max, 212cos

21, ddddid CC

TtCCC

Page 23: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 23

Molecular dynamics method

• Newton second law of motion

• Euler method

jijii SD

ma

1

tatvttv iii

ttvtrttr ii

Page 24: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 24

Comprehensive view of the model

Page 25: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 25

Results 1

Page 26: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 26

Displacement

Page 27: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 27

Same drag constant

• Cd = 0.1, Cd = 0.1

Page 28: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 28

Same drag constant (cont.)

• Cd = 0.1, Cd = 0.4

Page 29: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 29

Same drag constant (cont.)

• Cd = 0.4, Cd = 0.1

Page 30: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 30

Same drag constant (cont.)

• Cd = 0.4, Cd = 0.4

Page 31: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 31

Influence of frequency

• Tbridge = 2

Page 32: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 32

Influence of frequency

• Tbridge = 2.5

Page 33: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 33

Oscillating drag constant

• Tbridge = 1, Tdrag = 0.5

Page 34: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 34

Oscillating drag constant (cont.)

• Tbridge = 1, Tdrag = 1

Page 35: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 35

Oscillating drag constant (cont.)

• Tbridge = 1, Tdrag = 1.5

Page 36: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 36

Summary 1

Page 37: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 37

Summary

• Microorganism motion can be modeled by oscillating spring normal length and drag constant

• Noticeable displacement is observed ifTspring ~ Tdrag

• Other than that condition gives zero displace-ment in average for long observation time

Page 38: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 38

Model 2S. Viridi, F. Haryanto, N. Nuraini, S. N. Khotimah, SEACOMP 2015, 2015, 10-12 December 2015, Yogyakarta, Indonesia

Page 39: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 39

More complex cell

• A cell could havemore than onelocomotive organ,e.g. eight organs

Page 40: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 40

More complex cell (cont.)

• Or just four organs

Page 41: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 41

Synchronization

• Each locomotive organ should have certain initial phase in order the organism to have directional motion

• Supposed there is M locomotive organs• Assumed that each is positioned at

2Mj

j

Page 42: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 42

Synchronization (cont.)

• And have initial phase φj

• But with same period T

• Resultant motion is simple sum of each locomotive organ

Page 43: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 43

Results 2

Page 44: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 44

No motion

• 8-dot0.eps 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

• 8-dot1.eps 0.000 0.5000.000 0.500 0.000 0.5000.000 0.500

• 4-dot0.eps 0.000 0.0000.000 0.000

• 4-dot1.eps 0.000 0.0001.000 0.000

Page 45: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 45

Linear oscillating motion

• 4-lin0.eps 0.0000.000 0.250 0.250

• 4-lin1.eps 0.0000.250 0.250 0.000

• 4-lin2.eps 0.2500.250 0.000 0.000

• 4-lin3.eps 0.2500.000 0.000 0.250

01

23

Page 46: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 46

Circular motion φj = 2π/M

1 2 3 4

5 6 7 8

Page 47: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 47

M = 4, φj / T = 0.3, 0.4, 0.5, 0.6

0.3 0.4

0.5 0.6

4-cur0.eps 0.000 0.000 0.250 0.500

Page 48: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 48

Summary 2

Page 49: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 49

Summary

• Synchronization of locomotive organs can produce interesting motion

• Circular-like motion must obey that

φj = 2π/M and

• No motion can produced if all organs have the same initial phase

2Mj

j

Page 50: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 50

Model 3

Page 51: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 51

Gerak Organ Lokomotif

• Periode sampling berbeda (T): 1, 2, 3, 4

Page 52: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 52

Gerak Organ Lokomotif (cont.)

Page 53: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 53

Pengaruh frekuensi sampling

• 1 dan 4 ( fassa ) 2Mj

j

Page 54: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 54

Frekuensi satu organ saja

• 1, 2, 3, 4 (fasa seperti sebelum

-nya)

Page 55: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 55

Summary 3

Page 56: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 56

Summary

• Frekuensi sampling yang sama pada setiap organ lokomotif untuk sebuah gerak hampir melingkar tidak memberikan pengaruh pada mode gerak

Page 57: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 57

Summary (cont.)

• Gerak hampir melingkar yang memenuhi

φj = 2π/M and

dapat menjadi gerak berarah bila salah satu organ lokomotif memiliki frekuensi sampling berbeda (2, 3, 4, ..)

2Mj

j

Page 58: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 58

Summary (cont.)

• Sinkronisasi antara panjang pegas dan koefi-sien gesek dalam suatu organ lokomotif i,

berbeda dengan sinkronisasi antar organ loko-motif i dan j agar organisme dapat mengha-silkan gerak berarah

MiTT iidragispring ,,,

kspringjspring TT ,,

Page 59: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 59

Acknowledgement

Page 60: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 60

Acknowledgement

• Riset ini didukung oleh Institut Teknologi Bandung, Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi – Riset Desentralisasi Dikti bernomor 310i/I1.C01/PL/2015

• Presentasi ini didukung oleh FMIPA dan Panitia SKF 2015

Page 61: Model Pergerakan Dua-Dimensi Mikroorganisme dalam Fluida berbasiskan Butiran

SKF 2015 16 - 17 Desember 2015, Bandung, lndonesia 61

Thank you