Investigadores Desarrollan MicroNadador que Desafía las Leyes de la Dinámica de Fluidos

Los investigadores de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Núremberg (FAU), la Universidad de Lieja y el Instituto Helmholtz de Erlangen-Núremberg para Energías Renovables han desarrollado un nuevo micro nadador que desafía las leyes de la dinámica de fluidos. El nadador podría tener aplicaciones en áreas como la atención médica, donde podría ser utilizado para transportar medicamentos a través de la sangre.

El modelo del equipo consiste en dos cuentas conectadas por un resorte lineal, y es impulsado por oscilaciones completamente simétricas. Según el teorema de la Vieira, esto no debería ser posible en microsistemas de fluidos.

Los hallazgos de los investigadores se publicaron en Physical Review Letters.

Vieiras y el Nadador

Las vieiras nadan a través del agua cerrando sus conchas, y mientras la vieira abre su concha para el siguiente golpe, su gran tamaño la impulsa a través del momento de inercia. El teorema de la Vieira, sin embargo, se aplica más o menos dependiendo de la densidad y viscosidad del fluido.

Según el teorema, un nadador que hace movimientos simétricos o recíprocos hacia adelante y hacia atrás, similares a la forma en que una vieira abre y cierra su concha, probablemente resultará en un movimiento muy pequeño.

El Dr. Maxime Hubert es un investigador postdoctoral en el grupo del Prof. Dr. Ana-Suncana Smith en el Instituto de Física Teórica de la FAU.

“Nadar a través del agua es tan difícil para los organismos microscópicos como nadar a través de alquitrán lo sería para los humanos”, dice el Dr. Hubert. “Es por esto que los organismos unicelulares tienen medios de propulsión comparativamente complejos, como pelos vibrantes o flagelos rotatorios.”

El equipo de la FAU colaboró con investigadores de la Universidad de Lieja y el Instituto Helmholtz de Erlangen-Núremberg para Energías Renovables para desarrollar un nadador similar que parece no estar limitado por el teorema de la Vieira. El modelo bastante simple opera con un resorte lineal que conecta dos cuentas de diferentes tamaños. El micro nadador todavía es capaz de moverse a través del fluido cuando el resorte se expande y contrae simétricamente bajo la reversión del tiempo.

“Originalmente probamos este principio utilizando simulaciones por computadora”, dice Maxime Hubert. “Luego construimos un modelo funcional.”

El equipo probó el modelo colocando dos cuentas de acero, que tenían solo unos pocos cientos de micrómetros de diámetro, en la superficie del agua dentro de un plato de Petri. La contracción del resorte se representó mediante la tensión superficial del agua, y se utilizó un campo magnético para lograr la expansión en la dirección opuesta. Este sistema causó que las microcuentas se repelieran periódicamente.

Usos en el Mundo Real

El nadador logra la autopropulsión debido a los diferentes tamaños de las cuentas.

Según el Dr. Hubert, “La cuenta más pequeña reacciona mucho más rápido a la fuerza del resorte que la cuenta más grande. Esto causa un movimiento asimétrico y la cuenta más grande es arrastrada con la cuenta más pequeña. Por lo tanto, estamos utilizando el principio de inercia, con la diferencia de que aquí estamos preocupados por la interacción entre los cuerpos en lugar de la interacción entre los cuerpos y el agua.”

Aunque el sistema no es increíblemente rápido, se mueve hacia adelante alrededor de una milésima de su longitud corporal durante cada ciclo de oscilación. Sin embargo, el factor más impresionante y importante del nuevo sistema es la simplicidad de su construcción y mecanismo.

El equipo dice que tal sistema podría ser utilizado para desarrollar robots nadadores diminutos, que podrían tener muchos usos en el mundo real en sectores como la atención médica. Por ejemplo, podrían ser utilizados para el transporte de medicamentos.

“El principio que hemos descubierto podría ayudarnos a construir robots nadadores diminutos”, dice el Dr. Hubert. “Un día podrían ser utilizados para transportar medicamentos a través de la sangre a un lugar preciso.”