Forskere utvikler mikrosommere som bryter med fluidodynamikkens lover

Forskere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Universitetet i Liège og Helmholtz-instituttet Erlangen-Nürnberg for fornybar energi har utviklet en ny mikrosommere som bryter med fluidodynamikkens lover. Svømmeren kunne ha anvendelser i områder som helse, der den kunne brukes til å transportere legemidler gjennom blodet.

Teamets modell består av to kuler som er koblet sammen med en lineær fjær, og den drives av helt symmetriske oscillasjoner. Ifølge Scallop-teoremet burde dette ikke være mulig i fluide mikrosystemer.

Forskerne sine funn ble publisert i Physical Review Letters.

Muslinger og svømmeren

Muslinger svømmer gjennom vann ved å klappe skallene sammen, og mens muslingen åpner skallet sitt for neste slag, skyver dens store størrelse den fremover gjennom trøggingsmomentet. Scallop-teoremet gjelder imidlertid mer eller mindre avhengig av fluidets tetthet og viskositet.

Ifølge teoremet vil en svømmer som gjør symmetriske eller reciproke frem- og bakoverbevegelser, liknende måten en musling åpner og lukker skallet sitt, sannsynligvis resultere i svært liten bevegelse.

Dr. Maxime Hubert er en postdoktorand i Prof. Dr. Ana-Suncana Smiths gruppe ved Institutt for teoretisk fysikk ved FAU.

“Å svømme gjennom vann er like vanskelig for mikroskopiske organismer som å svømme gjennom tjære ville være for mennesker,” sier Dr. Hubert. “Dette er hvorfor encelle-organismer har relativt komplekse måter å fremdrive seg på, som vibrerende hår eller roterende flageller.”

FAU-teamet samarbeidet med forskere ved Universitetet i Liège og Helmholtz-instituttet Erlangen-Nürnberg for fornybar energi for å utvikle en lignende svømmer som ser ut til å ikke være begrenset av Scallop-teoremet. Den ganske enkle modellen opererer med en lineær fjær som kobler to forskjellige størrelser kuler. Mikrosvømmeren er fortsatt i stand til å bevege seg gjennom fluidet når fjæren utvides og kontraherer symmetrisk under tidsreversering.

“Vi testet opprinnelig denne prinsippet ved hjelp av datamodeller,” sier Maxime Hubert. ‘Vi bygde deretter en fungerende modell.”

Teamet testet modellen ved å plassere to stålkuler, som bare var noen få hundre mikrometer i diameter, på overflaten av vann i en Petri-skål. Kontraksjonen av fjæren ble representert av overflatespenningen til vannet, og et magnetfelt ble brukt til å oppnå utvidelse i motsatt retning. Dette systemet førte til at mikrokulene periodisk frastøtte hverandre.

Reelle anvendelser

Svømmeren oppnår selvpropulsjon på grunn av de forskjellige størrelsene kulene.

Ifølge Dr. Hubert, “Den mindre kulere reagerer mye raskere på fjærkraften enn den større kulen. Dette fører til asymmetrisk bevegelse og den større kulen blir trukket med den mindre kulen. Vi bruker derfor prinsippet om trøggingsmoment, med den forskjellen at her er vi opptatt av interaksjonen mellom kroppene og ikke interaksjonen mellom kroppene og vannet.”

Selv om systemet ikke er ekstremt raskt, beveger det seg fremover omkring en tusendel av sin egen lengde under hver oscillasjonsyklus. Imidlertid er den mest imponerende og viktige faktoren ved det nye systemet enkelheten i konstruksjonen og mekanismen.

Teamet sier at et slikt system kunne brukes til å utvikle små svømmende roboter, som kunne ha mange reelle anvendelser i sektorer som helse. For eksempel kunne de brukes til å transportere legemidler.

“Prinsippet vi har oppdaget kunne hjelpe oss å konstruere små svømmende roboter,” sier Dr. Hubert. “En dag kunne de bli brukt til å transportere legemidler gjennom blodet til en presis lokasjon.”