Peneliti Mengembangkan Microswimmer yang Melanggar Hukum Dinamika Fluida

Peneliti di Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Universitas Liège, dan Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg untuk Energi Terbarukan telah mengembangkan mikroswimmer baru yang melanggar hukum dinamika fluida. Perenang ini dapat memiliki aplikasi di bidang seperti kesehatan, di mana dapat digunakan untuk mengangkut obat-obatan melalui darah.

Model tim ini terdiri dari dua bola yang dihubungkan oleh pegas linier, dan didorong oleh osilasi simetris. Menurut teorema Scallop, ini seharusnya tidak mungkin terjadi dalam sistem fluida mikro.

Temuan peneliti dipublikasikan di Physical Review Letters.

Kerang dan Perenang

Kerang berenang melalui air dengan menutup cangkangnya, dan saat kerang membuka cangkangnya untuk stroke berikutnya, ukuran besar kerang mendorongnya melalui momentum. Teorema Scallop, bagaimanapun, berlaku lebih atau kurang tergantung pada densitas dan viskositas fluida.

Menurut teorema, perenang yang membuat gerakan maju-mundur simetris atau resiprokal, mirip dengan cara kerang membuka dan menutup cangkangnya, kemungkinan akan menghasilkan pergerakan yang sangat kecil.

Dr. Maxime Hubert adalah peneliti postdoktor di grup Prof. Dr. Ana-Suncana Smith di Institut Fisika Teoritis di FAU.

“Berenang melalui air sama sulitnya bagi organisme mikroskopis seperti berenang melalui tar bagi manusia,” kata Dr. Hubert. “Ini adalah alasan mengapa organisme bersel tunggal memiliki sarana propulsi yang relatif kompleks seperti rambut yang bergetar atau flagela yang berputar.”

Tim FAU berkolaborasi dengan peneliti di Universitas Liège dan Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg untuk Energi Terbarukan untuk mengembangkan perenang serupa yang tampaknya tidak terbatas oleh teorema Scallop. Model yang relatif sederhana ini beroperasi dengan pegas linier yang menghubungkan dua bola dengan ukuran yang berbeda. Perenang mikro ini masih dapat bergerak melalui fluida ketika pegas membesar dan menyusut secara simetris di bawah perubahan waktu.

“Kami awalnya menguji prinsip ini menggunakan simulasi komputer,” kata Maxime Hubert. ‘Kemudian kami membangun model yang berfungsi.”

Tim menguji model dengan meletakkan dua bola baja, yang hanya berdiameter beberapa ratus mikrometer, di permukaan air di dalam cawan Petri. Kontraksi pegas diwakili oleh tegangan permukaan air, dan medan magnet digunakan untuk mencapai ekspansi ke arah yang berlawanan. Sistem ini menyebabkan mikrobola secara berkala saling menolak.

Penggunaan di Dunia Nyata

Perenang mencapai propulsi sendiri karena perbedaan ukuran bola.

Menurut Dr. Hubert, “Bola yang lebih kecil bereaksi jauh lebih cepat terhadap gaya pegas daripada bola yang lebih besar. Ini menyebabkan gerakan asimetris dan bola yang lebih besar ditarik bersama dengan bola yang lebih kecil. Kita menggunakan prinsip inersia, dengan perbedaan bahwa di sini kita peduli dengan interaksi antara benda-benda daripada interaksi antara benda-benda dan air.”

Sistem ini tidak terlalu cepat, tetapi bergerak maju sekitar seperseribu panjang tubuhnya selama setiap siklus osilasi. Namun, faktor yang paling mengesankan dan penting dari sistem baru ini adalah kesederhanaan konstruksinya dan mekanismenya.

Tim mengatakan bahwa sistem seperti ini dapat digunakan untuk mengembangkan robot renang kecil, yang dapat memiliki banyak penggunaan di dunia nyata di bidang seperti kesehatan. Sebagai contoh, mereka dapat digunakan untuk transportasi obat-obatan.

“Prinsip yang kami temukan dapat membantu kami membangun robot renang kecil,” kata Dr. Hubert. “Suatu hari mereka mungkin digunakan untuk mengangkut obat-obatan melalui darah ke lokasi yang tepat.”