Forskere udvikler mikroschwimmer, der trodser fluidodynamikkens love

Forskere fra Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Universitetet i Liège og Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for vedvarende energi har udviklet en ny mikroschwimmer, der trodser fluidodynamikkens love. Schwimmeren kunne have anvendelser i områder som sundhedspleje, hvor den kunne bruges til at transportere lægemidler gennem blodet.

Holdets model består af to kugler forbundet med en lineær fjeder, og den drives af fuldstændig symmetriske oscillationer. Ifølge Scallop-teoremet burde dette ikke være muligt i fluide mikrosystemer.

Forskerne har offentliggjort deres resultater i Physical Review Letters.

Muslinger og svømmeren

Muslinger svømmer gennem vand ved at klappe deres skaller sammen, og mens muslingen åbner sin skalle for det næste slag, skyder dens store størrelse den fremad gennem træghedsmomentet. Scallop-teoremet gælder dog mere eller mindre afhængigt af fluidens densitet og viskositet.

Ifølge teoremet vil en svømmer, der laver symmetriske eller reciproke frem- og bagudbevægelser, lignende måden en musling åbner og lukker sin skalle, sandsynligvis resultere i meget lille bevægelse.

Dr. Maxime Hubert er en postdoc-forsker i Prof. Dr. Ana-Suncana Smiths gruppe ved Institut for Teoretisk Fysik på FAU.

“At svømme gennem vand er lige så svært for mikroskopiske organismer, som det ville være for mennesker at svømme gennem tjære,” siger Dr. Hubert. “Det er derfor, at encellede organismer har relativt komplekse fremdriftsmidler som vibrerende hår eller roterende flageller.”

FAU-holdet samarbejdede med forskere fra Universitetet i Liège og Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for vedvarende energi for at udvikle en lignende svømmer, der synes at ikke være begrænset af Scallop-teoremet. Den ret simple model opererer med en lineær fjeder, der forbinder to forskellige størrelser kugler. Mikroschwimmeren er stadig i stand til at bevæge sig gennem fluiden, når fjederen udvides og kontraherer symmetrisk under tidsomvendelse.

“Vi testede oprindeligt denne princip ved hjælp af computersimulationer,” siger Maxime Hubert. “Derefter byggede vi en fungerende model.”

Holdet testede modellen ved at placere to stålkugler, der kun var få hundred mikrometer i diameter, på overfladen af vand i en Petri-skål. Kontraktionen af fjederen blev repræsenteret af vandets overfladespænding, og et magnetfelt blev brugt til at opnå udvidelse i den modsatte retning. Dette system fik mikrokuglerne til at periodisk frastøde hinanden.

Reelle anvendelser

Svømmeren opnår selvdrift på grund af kuglernes forskellige størrelser.

Ifølge Dr. Hubert “reagerer den mindre kugle meget hurtigere på fjederkraften end den større kugle. Dette resulterer i asymmetrisk bevægelse, og den større kugle trækkes med den mindre kugle. Vi bruger derfor træghedsprincippet, med den forskel, at vi her er bekymret for interaktionen mellem legemerne og ikke interaktionen mellem legemerne og vandet.”

Selv om systemet ikke er utrolig hurtigt, bevæger det sig fremad omkring en tusindedel af sin kropslængde under hver oscillationscyklus. Men det mest imponerende og vigtigste aspekt af det nye system er enkelheden i dets konstruktion og mekanisme.

Holdet siger, at et sådant system kunne bruges til at udvikle små svømmende robotter, der kunne have mange reelle anvendelser i sektorer som sundhedspleje. For eksempel kunne de bruges til at transportere lægemidler.

“Princippet, som vi har opdaget, kunne hjælpe os med at konstruere små svømmende robotter,” siger Dr. Hubert. “En dag kunne de måske bruges til at transportere lægemidler gennem blodet til en præcis lokalitet.”