流体力学の法則を破るマイクロスイマーを研究者が開発

エルランゲン・ニュルンベルク・フリードリヒ・アレクサンダー大学（FAU）、リエージュ大学、エルランゲン・ニュルンベルク再生可能エネルギー研究所の研究者は、流体力学の法則を破る新しいマイクロスイマーを開発しました。このスイマーは、薬物を血液の中に輸送するために使用される可能性のあるヘルスケアなどの分野で応用される可能性があります。

チームのモデルは、2つのビーズが線形スプリングで接続されており、完全に対称な振動によって推進されます。カキの定理によれば、流体ミクロシステムではこれは不可能であるはずです。

研究者の発見は、Physical Review Lettersに掲載されました。

カキとスイマー

カキは、貝を水の中で叩くようにして泳ぎますが、カキが貝を開けて次のストロークのために準備をするとき、その大きなサイズが慣性のモーメントによって推進されます。カキの定理は、流体の密度と粘度によって適用される程度は多少異なります。

定理によれば、カキが貝を開閉するように、前後に相対的な運動をするスイマーは、非常に小さな運動しか生じない可能性があります。

マクシム・ユベール博士は、FAUの理論物理学研究所のアナ・スンカナ・スミス教授のグループでポスドク研究員です。

「水の中を泳ぐことは、微視的な生物にとっては、人間がタールの中を泳ぐのと同じくらい難しいです」とユベール博士は述べています。「これが、単細胞生物が振動する毛や回転する鞭のような比較的複雑な推進手段を持っている理由です。」

FAUチームは、リエージュ大学とエルランゲン・ニュルンベルク再生可能エネルギー研究所の研究者と協力して、カキの定理によって制限されないように見えるスイマーを開発しました。比較的単純なモデルは、線形スプリングで接続された2つの異なるサイズのビーズで構成されています。マイクロスイマーは、スプリングが時間反転下で対称的に拡大・収縮するときに、流体の中を移動することができます。

「私たちは最初に、この原理をコンピューターシミュレーションでテストしました」とマクシム・ユベールは述べています。 「次に、機能するモデルを構築しました。」

チームは、ペトリ皿の中の水面に直径数百マイクロメートルの鋼鉄ビーズを置いてモデルをテストしました。スプリングの収縮は水の表面張力によって表され、磁場を使用して反対方向に拡大を達成しました。このシステムにより、マイクロビーズが周期的に互いに反発するようになりました。

実際の用途

スイマーはビーズの異なるサイズによって自己推進を達成します。

ユベール博士によると、「小さいビーズはスプリング力に対して大きいビーズよりもはるかに速く反応します。これにより非対称な運動が生じ、より大きなビーズが小さいビーズとともに引かれます。私たちは慣性の原理を使用していますが、ここでは水との相互作用ではなく、物体間の相互作用に関係しています。」

システムは非常に速くはありませんが、各振動サイクルで約1/1000の身体の長さだけ前進します。ただし、新しいシステムの最も印象的な点は、その構造とメカニズムの単純さです。

チームは、このシステムを使用して小さなスイミングロボットを開発でき、ヘルスケアなどの分野で実際の用途がある可能性があると述べています。たとえば、薬物を血液の中に輸送するために使用できます。

「私たちが発見した原理は、微小なスイミングロボットを構築するのに役立つ可能性があります」とユベール博士は述べています。 「将来、薬物を血液の中に正確な位置まで輸送するために使用される可能性があります。」