Ερευνητές Ανάπτυσσουν Μικροκολυμβητή που Αμφισβητεί τους Νόμους της Ρευστοδυναμικής

Ερευνητές στο Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), το Πανεπιστήμιο του Λιέγ και το Ινστιτούτο Helmholtz Erlangen-Nürnberg για Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας έχουν αναπτύξει einen νέο μικροκολυμβητή που αμφισβητεί τους νόμους της ρευστοδυναμικής. Ο κολυμβητής θα μπορούσε να έχει εφαρμογές σε περιοχές όπως η υγεία, όπου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά φαρμάκων μέσω του αίματος.

Το μοντέλο της ομάδας αποτελείται από δύο σφαιρίδια που συνδέονται με einen γραμμικό ελατήριο και προωθείται από πλήρως συμμετρικές ταλαντώσεις. Σύμφωνα με το θεώρημα του σκαλлоп, αυτό δεν θα έπρεπε να είναι δυνατό σε μικροσυστήματα ρευστών.

Τα ευρήματα των ερευνητών δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters.

Σκαλλοπ και ο Κολυμβητής

Τα σκαλλοπ κολυμβούν στο νερό κλείνοντας τα κέλυφά τους, και ενώ το σκαλλοπ ανοίγει το κέλυφός του για την επόμενη κίνηση, το μεγάλο του μέγεθος το προωθεί μέσω της ροπής. Το θεώρημα του σκαλлоп, ωστόσο, ισχύει περισσότερο ή λιγότερο ανάλογα με την πυκνότητα και τη.viscosity του ρευστού.

Σύμφωνα με το θεώρημα, ένας κολυμβητής που κάνει συμμετρικές ή αναστρέψιμες κινήσεις προς τα εμπρός και προς τα πίσω, παρόμοιες με τον τρόπο που ένα σκαλλοπ ανοίγει και κλείνει το κέλυφός του, θα οδηγήσει πιθανότατα σε πολύ μικρή κίνηση.

Ο Δρ. Maxime Hubert είναι μεταδιδάκτορας ερευνητής στην ομάδα του καθηγητή Δρ. Ana-Suncana Smith στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στο FAU.

«Το κολύμπι στο νερό είναι τόσο δύσκολο για μικροσκοπικά οργανικά όσο και το κολύμπι στο Cat για τους ανθρώπους», λέει ο Δρ. Hubert. «Γι’ αυτό τα μονοκύτταρα οργανικά έχουν σχετικά σύνθετες μεθόδους πρόωσης, όπως τα δονουμένα μαλλιά ή τα περιστρεφόμενα flagella».

Η ομάδα του FAU συνεργάστηκε με ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Λιέγ και το Ινστιτούτο Helmholtz Erlangen-Nürnberg για Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας για την ανάπτυξη ενός παρόμοιου κολυμβητή που φαίνεται να μην περιορίζεται από το θεώρημα του σκαλлоп. Το σχετικά απλό μοντέλο λειτουργεί με ένα γραμμικό ελατήριο που συνδέει δύο σφαιρίδια διαφορετικού μεγέθους. Ο μικροκολυμβητής είναι ακόμη ικανός να κινείται μέσω του ρευστού όταν το ελατήριο επεκτείνεται και συστέλλεται συμμετρικά υπό χρονική αναστροφή.

«Αρχικά δοκιμάσαμε αυτή την αρχή χρησιμοποιώντας υπολογιστικές προσομοιώσεις», λέει ο Maxime Hubert. ‘Στη συνέχεια κατασκευάσαμε ένα λειτουργικό μοντέλο».

Η ομάδα έ-tested το μοντέλο τοποθετώντας δύο σφαιρίδια από ατσάλι, τα οποία είχαν διάμετρο μόνο quelques εκατοντάδες μικρόμετρα, στην επιφάνεια του νερού μέσα σε ένα Petri dish. Η σύγκριση του ελατηρίου αντιπροσωπεύτηκε από την επιφανειακή τάση του νερού και ένα μαγνητικό πεδίο χρησιμοποιήθηκε για να επιτύχει επέκταση στην αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό το σύστημα προκάλεσε τα μικροσφαιρίδια να απωθούν περιοδικά το ένα το άλλο.

Πραγματικές Χρήσεις

Ο κολυμβητής επιτυγχάνει αυτοπρόωση λόγω των διαφορετικών μεγεθών των σφαιριδίων.

Σύμφωνα με τον Δρ. Hubert, «Το μικρότερο σφαιρίδιο αντιδρά πολύ γρήγορα στη δύναμη του ελατηρίου από το μεγαλύτερο σφαιρίδιο. Αυτό προκαλεί ασύμμετρη κίνηση και το μεγαλύτερο σφαιρίδιο τραβιέται μαζί με το μικρότερο σφαιρίδιο. Έτσι, χρησιμοποιούμε την αρχή της ροπής, με τη διαφορά ότι εδώ ασχολούμαστε με την αλληλεπίδραση μεταξύ των σωμάτων και όχι με την αλληλεπίδραση μεταξύ των σωμάτων και του νερού».

Η ομάδα λέει ότι ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη μικρών κολυμβητών ρομπότ, τα οποία θα μπορούσαν να έχουν πολλές πραγματικές χρήσεις σε τομείς όπως η υγεία. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά φαρμάκων.

«Η αρχή που ανακαλύψαμε θα μπορούσε να μας βοηθήσει να κατασκευάσουμε μικρά κολυμβητά ρομπότ», λέει ο Δρ. Hubert. «Μια μέρα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά φαρμάκων μέσω του αίματος σε ένα συγκεκριμένο σημείο».