Onderzoekers ontwikkelen microzwemmer die de wetten van vloeistofdynamica tart

Onderzoekers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), de Universiteit van Luik en het Helmholtz Instituut Erlangen-Nürnberg voor Hernieuwbare Energie hebben een nieuwe microzwemmer ontwikkeld die de wetten van vloeistofdynamica tart. De zwemmer kan toepassingen hebben in gebieden zoals de gezondheidszorg, waar hij gebruikt kan worden om medicijnen door het bloed te transporteren.

Het model van het team bestaat uit twee kralen die met een lineaire veer zijn verbonden, en het wordt aangedreven door volledig symmetrische oscillaties. Volgens de Scallop-stelling zou dit niet mogelijk moeten zijn in vloeistofmicrosystemen.

De onderzoeksresultaten van de onderzoekers werden gepubliceerd in Physical Review Letters.

Scallop en de zwemmer

Scallops zwemmen door water door hun schelpen samen te klappen, en terwijl de scallop zijn schelp opent voor de volgende slag, wordt hij door zijn grote omvang door de traagheid voortgestuwd. De Scallop-stelling is echter meer of minder van toepassing, afhankelijk van de dichtheid en viscositeit van de vloeistof.

Volgens de stelling zal een zwemmer die symmetrische of reciproque voorwaartse en achterwaartse bewegingen maakt, vergelijkbaar met de manier waarop een scallop zijn schelp opent en sluit, waarschijnlijk heel weinig bewegen.

Dr. Maxime Hubert is een postdoctoraal onderzoeker in de groep van prof. dr. Ana-Suncana Smith aan het Instituut voor Theoretische Fysica van de FAU.

“Zwemmen door water is voor microscopische organismen even moeilijk als zwemmen door teer voor mensen”, zegt dr. Hubert. “Dit is de reden waarom enkelcellige organismen relatief complexe middelen van voortstuwing hebben, zoals trillende haren of roterende flagellen.”

Het team van de FAU werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Luik en het Helmholtz Instituut Erlangen-Nürnberg voor Hernieuwbare Energie om een soortgelijke zwemmer te ontwikkelen die lijkt te worden beperkt door de Scallop-stelling. Het vrij eenvoudige model werkt met een lineaire veer die twee kralen van verschillende grootte verbindt. De microzwemmer is nog steeds in staat om door de vloeistof te bewegen wanneer de veer symmetrisch uitbreidt en samentrekt onder tijdsomkering.

“We hebben dit principe aanvankelijk getest met computersimulaties”, zegt Maxime Hubert. ‘We hebben toen een functionerend model gebouwd.”

Het team testte het model door twee stalen kralen, die slechts een paar honderd micrometer in diameter waren, op het oppervlak van water in een petrischaal te plaatsen. De samentrekking van de veer werd vertegenwoordigd door de oppervlaktespanning van het water, en een magnetisch veld werd gebruikt om uitbreiding in de tegenovergestelde richting te bereiken. Dit systeem zorgde ervoor dat de microkralen elkaar periodiek afstoten.

Praktische toepassingen

De zwemmer bereikt zelfvoortstuwing vanwege de verschillende grootte van de kralen.

Volgens dr. Hubert “reageert de kleinere kraal veel sneller op de veerkracht dan de grotere kraal. Dit veroorzaakt asymmetrische beweging en de grotere kraal wordt meegesleept met de kleinere kraal. We gebruiken dus het principe van traagheid, met het verschil dat we hier te maken hebben met de interactie tussen de lichamen en niet met de interactie tussen de lichamen en water.”

Hoewel het systeem niet buitengewoon snel is, beweegt het ongeveer een duizendste van zijn lichaamslengte tijdens elke oscillatiecyclus. Het meest indrukwekkende en belangrijkste aspect van het nieuwe systeem is echter de eenvoud van zijn constructie en mechanisme.

Het team zegt dat een dergelijk systeem gebruikt kan worden om kleine zwemmende robots te ontwikkelen, die veel praktische toepassingen kunnen hebben in sectoren zoals de gezondheidszorg. Bijvoorbeeld, ze kunnen gebruikt worden voor medicijntransport.

“Het principe dat we hebben ontdekt, kan ons helpen om kleine zwemmende robots te bouwen”, zegt dr. Hubert. “Op een dag kunnen ze gebruikt worden om medicijnen door het bloed te transporteren naar een specifieke locatie.”