연구자들, 유체 역학의 법칙을 거스르는 마이크로 스위머 개발

에를랑겐-뉘른베르크 프리드리히 알렉산더 대학교(FAU), 리에주 대학교, 에를랑겐-뉘른베르크 헬름홀츠 재생 에너지 연구소의 연구자들은 유체 역학의 법칙을 거스르는 새로운 마이크로 스위머를 개발했습니다. 이 스위머는 의료 분야와 같은 분야에서 약물을 혈액을 통해 운송하는 데 사용될 수 있습니다.

연구팀의 모델은 두 개의 비드를 선형 스프링으로 연결하여 구성되며, 완전히 대칭적인 진동으로 추진됩니다. 스칼롭 정리(Scallop theorem)에 따르면, 이는 유체 마이크로 시스템에서 불가능해야 합니다.

연구자들의 연구 결과는 물리학 리뷰 레터에 발표되었습니다.

가재와 스위머

가재는 물을 헤치기 위해 조개를 닫고, 가재가 다음 타격을 위해 조개를 열면, 큰 크기로 인해 관성으로 물을 헤칩니다. 그러나 스칼롭 정리는 유체의 밀도와 점도에 따라 적용됩니다.

정리에 따르면, 대칭적인 또는 상호적인 앞뒤로 움직이는 스위머는 매우 작은 운동을 하게 됩니다.

맥시姆 후베르트 박사는 FAU의 이론 물리학 연구소에서 아나-순카나 스미스 교수의 연구 그룹에서 박사 후 연구원입니다.

“물속을 헤치기는 미세한 생물체에게는 타르를 헤치기와 같은 난제입니다,” 후베르트 박사는 말합니다. “이것이 왜 단세포 생물체가 진동하는毛이나 회전하는 편모와 같은 비교적 복잡한 추진 수단을 갖는지 이해할 수 있습니다.”

FAU 팀은 리에주 대학교와 에를랑겐-뉘른베르크 헬름홀츠 재생 에너지 연구소의 연구자들과 협력하여 스칼롭 정리에 제한되지 않는 유사한 스위머를 개발했습니다. 비교적 간단한 모델은 두 개의 다른 크기의 비드를 선형 스프링으로 연결하여 구성되며, 마이크로 스위머는 시간 역전 하에서 대칭적으로 확장하고 수축할 때 유체를 통해 이동할 수 있습니다.

“우리는 처음에 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 원리를 테스트했습니다,” 맥시姆 후베르트는 말합니다. “그런 다음 실제 모델을 구축했습니다.”

연구팀은 두 개의 강철 비드를 페트리 접시에 물 표면에 놓고 모델을 테스트했습니다. 스프링의 수축은 물의 표면 장력으로 나타났으며, 반대 방향으로 확장을 달성하기 위해 자석 필드를 사용했습니다. 이 시스템은 마이크로 비드가 주기적으로 서로를 밀어내게 만듭니다.

실제 활용

스위머는 비드의 크기 차이로 인해 자체 추진을 달성합니다.

후베르트 박사에 따르면, “작은 비드는 큰 비드보다 스프링力的 반응이 훨씬 빠릅니다. 이것은 비대칭 운동을 일으키고, 큰 비드는 작은 비드와 함께 끌립니다. 우리는 물과 물체 간의 상호작용이 아닌 물체 간의 상호작용에 관심이 있기 때문에, 관성의 원리를 사용하고 있습니다.”

시스템은 매우 빠르지 않지만, 각 진동 주기 동안 약 1/1000의 몸길이만큼 앞으로 이동합니다. 그러나 가장 인상적인 요소는 새로운 시스템의 단순성입니다.

연구팀은 이러한 시스템을 사용하여 작은 수영 로봇을 개발할 수 있을 것이라고 말합니다. 이는 의료 분야와 같은 분야에서 실제로 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 약물을 혈액을 통해 정확한 위치로 운송하는 데 사용될 수 있습니다.

“우리가 발견한 원리는 작은 수영 로봇을 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다,” 후베르트 박사는 말합니다. “일일이 약물을 혈액을 통해 정확한 위치로 운송하는 데 사용될 수 있습니다.”