Onderzoekers ontwikkelen een microzwemmer die de wetten van de 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 de vloeistofdynamica tart. De zwemmer zou toepassingen kunnen hebben in gebieden zoals de gezondheidszorg, waar hij zou kunnen worden gebruikt om medicijnen door het bloed te transporteren. 

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

De bevindingen van de onderzoekers zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.

Sint-jakobsschelpen en de zwemmer

Sint-jakobsschelpen zwemmen door het water door met hun schelpen tegen elkaar te klappen, en terwijl de sint-jakobsschelp zijn schelp opent voor de volgende slag, drijft zijn grote formaat hem voort door het traagheidsmoment. De Scallop-stelling is echter min of meer van toepassing, afhankelijk van de dichtheid en viscositeit van de vloeistof.

Volgens de stelling zal een zwemmer die symmetrische of wederzijdse voorwaartse naar achterwaartse bewegingen maakt, vergelijkbaar met de manier waarop een sint-jakobsschelp zijn schelp opent en sluit, waarschijnlijk resulteren in een zeer kleine beweging. 

Dr. Maxime Hubert is postdoctoraal onderzoeker in de groep van prof. dr. Ana-Suncana Smith aan het Institute of Theoretical Physics van de FAU. 

"Zwemmen door water is voor microscopische organismen net zo moeilijk als zwemmen door teer voor mensen", zegt Dr. Hubert. "Dit is de reden waarom eencellige organismen relatief complexe voortstuwingsmiddelen hebben, zoals trillende haren of roterende flagellen."

Het FAU-team werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Luik en het Helmholtz-instituut Erlangen-Nürnberg voor hernieuwbare energie om een ​​vergelijkbare zwemmer te ontwikkelen die niet lijkt te worden beperkt door de Scallop-stelling. Het vrij eenvoudige model werkt met een lineaire veer die twee kralen van verschillende grootte met elkaar verbindt. De microzwemmer kan nog steeds door de vloeistof bewegen wanneer de veer symmetrisch uitzet en samentrekt onder tijdsomkering. 

“We hebben dit principe oorspronkelijk getest met computersimulaties”, zegt Maxime Hubert. 'We hebben toen een werkend model gebouwd.'

Het team testte het model door twee stalen kralen met een diameter van slechts een paar honderd micrometer op het wateroppervlak in een petrischaal te plaatsen. De samentrekking van de veer werd weergegeven door de oppervlaktespanning van het water en een magnetisch veld werd gebruikt om uitzetting in de tegenovergestelde richting te bereiken. Dit systeem zorgde ervoor dat de microbeads elkaar periodiek afstootten. 

Gebruik in de echte wereld

De zwemmer bereikt zelfaandrijving door de verschillende maten van de kralen. 

Volgens Dr. Hubert: “De kleinere kraal reageert veel sneller op de veerkracht dan de grotere kraal. Dit veroorzaakt een asymmetrische beweging en de grotere hiel wordt samen met de kleinere hiel getrokken. We hanteren dus het traagheidsprincipe, met het verschil dat het hier gaat om de interactie tussen de lichamen en niet om de interactie tussen de lichamen en het water.”

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

Het team zegt dat een dergelijk systeem kan worden gebruikt om kleine zwemrobots te ontwikkelen, die in de praktijk veel kunnen worden gebruikt in sectoren als de gezondheidszorg. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor drugstransport. 

“Het principe dat we hebben ontdekt, zou ons kunnen helpen om kleine zwemrobots te bouwen”, zegt dr. Hubert. "Op een dag kunnen ze worden gebruikt om drugs door het bloed naar een precieze locatie te transporteren."