باحثون يطورون سباحًا دقيقًا يخالف قوانين ديناميكية السوائل

طور باحثون في جامعة فريدريش ألكسندر في إرلنغن نورنبرغ (FAU) وجامعة لييج والمعهد الهلمولتزي في إرلنغن نورنبرغ للطاقة المتجددة سباحًا دقيقًا جديدًا يخالف قوانين ديناميكية السوائل. يمكن أن يكون للسباح تطبيقات في مجالات مثل الرعاية الصحية، حيث يمكن استخدامه لنقل الأدوية عبر الدم.

يتكون نموذج الفريق من两个 حبات متصلة بمزلاط خطي، ويتحرك بoscillations متماثلة تمامًا. وفقًا لمبرهنة المحار، لا ينبغي أن يكون هذا ممكنًا في أنظمة السوائل الدقيقة.

نشر الباحثون نتائجهم في الرسائل الفيزيائية.

المحار والسباح

يتحرك المحار عبر الماء bằng فتح وإغلاق غلافه، وعندما يفتح المحار غلافه للضربة التالية، فإن حجمه الكبير يدفعه خلال لحظة القصور الذاتي. ومع ذلك، تختلف مبرهنة المحار باختلاف كثافة ولزوجة السائل.

وفقًا للمبرهنة، فإن سباحًا يؤدي حركات متماثلة أو متبادلة إلى الأمام والخلف، مثل طريقة فتح وإغلاق المحار لغلافه، سوف يؤدي إلى حركة صغيرة جدًا.

الدكتور ماكسيم هوبير هو باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة البروفيسور الدكتور آنا-سوسانا سميث في معهد الفيزياء النظرية في FAU.

“السباحة عبر الماء هي بهذا الصعوبة بالنسبة للمنظمات الدقيقة كما لو كانت السباحة عبر القطران بالنسبة للإنسان”، يقول الدكتور هوبير. “هذا هو السبب في أن المنظمات الخلوية الفردية لها وسائل دفع معقدة مثل الشعر المتأرجح أو السوط الدوار.”

تعاون فريق FAU مع باحثين في جامعة لييج والمعهد الهلمولتزي في إرلنغن نورنبرغ للطاقة المتجددة لتحقيق سباح مشابه لا يبدو أنه مقيد بمبرهنة المحار. يعمل النموذج البسيط مع مزلاط خطي يربط بين حباتتين مختلفة الحجم. لا يزال السباح الدقيق قادرًا على التحرك عبر السائل عندما يتوسع ويتقلص المزلاط بشكل متماثل تحت العكس.

“لقد اختبرنا هذا المبدأ في البداية باستخدام محاكاة حاسوبية”، يقول ماكسيم هوبير. “ثم بنينا نموذجًا يعمل.”

اختبر الفريق النموذج bằng وضع حبات فولاذيتين على سطح الماء داخل طبق بتري. تم تمثيل انقباض المزلاط بواسطة شد السطح للماء، واستخدم مجال مغناطيسي لتحقيق التمدد في الاتجاه المعاكس. هذا النظام أدى إلى توجيه الحبات الدقيقة بشكل دوري.

الاستخدامات الواقعية

يحقق السباح الدفع الذاتي بسبب حجم الحبات المختلف.

وفقًا للدكتور هوبير، “تستجيب الحبة الصغيرة بشكل أسرع لقوة المزلاط من الحبة الكبيرة. هذا يسبب حركة غير متماثلة ويسحب الحبة الكبيرة مع الحبة الصغيرة. لذلك، نحن نستخدم مبدأ القصور الذاتي، مع فارق أننا هنا مهتمون بالتفاعل بين الأجسام بدلاً من التفاعل بين الأجسام والماء.”

على الرغم من أن النظام ليس سريعًا بشكل استثنائي، إلا أنه يتحرك إلى الأمام بحوالي جزء من ألف من طول جسده خلال كل دورة تمدد وانقباض. ومع ذلك، فإن العامل الأكثر إثارة للإعجاب والأهم هو بساطة بنية النظام وآليته.

يقول الفريق إن هذا النظام يمكن استخدامه لتطوير روبوتات سباحة دقيقة، والتي يمكن أن يكون لها العديد من التطبيقات الواقعية في قطاعات مثل الرعاية الصحية. على سبيل المثال، يمكن استخدامها لنقل الأدوية.

“المبدأ الذي اكتشفناه يمكن أن يساعدنا على بناء روبوتات سباحة دقيقة”، يقول الدكتور هوبير. “ربما يتم استخدامها يومًا ما لنقل الأدوية عبر الدم إلى موقع دقيق.”