Naukowcy opracowali mikropływak, który łamie prawa dynamiki płynów

Naukowcy z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Uniwersytetu w Liège i Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg dla Energii Odnawialnej opracowali nowy mikropływak, który łamie prawa dynamiki płynów. Pływak ten może mieć zastosowanie w dziedzinach takich jak opieka zdrowotna, gdzie mógłby być wykorzystany do transportu leków przez krew.

Model zespołu składa się z dwóch kul połączonych liniowym sprężyną, a napędzany jest przez całkowicie symetryczne drgania. Zgodnie z twierdzeniem muszli, nie powinno to być możliwe w mikrosystemach płynnych.

Odkrycia naukowców zostały opublikowane w Physical Review Letters.

Muszle i pływak

Muszle pływają przez wodę, zamykając swoje muszle, a podczas otwierania muszli na następny ruch, ich duży rozmiar popycha je przez moment bezwładności. Twierdzenie muszli stosuje się bardziej lub mniej w zależności od gęstości i lepkości płynu.

Zgodnie z twierdzeniem, pływak, który wykonuje symetryczne lub wzajemne ruchy do przodu i do tyłu, podobne do tego, jak muszla otwiera i zamyka swoją muszlę, prawdopodobnie spowoduje bardzo mały ruch.

Dr Maxime Hubert jest postdoktoranckim badaczem w grupie prof. dr Anny-Suncany Smith w Instytucie Fizyki Teoretycznej na FAU.

„Pływanie przez wodę jest tak trudne dla mikroskopijnych organizmów, jak pływanie przez smołę byłoby dla ludzi”, mówi dr Hubert. „Dlatego też organizmy jednokomórkowe mają stosunkowo złożone środki napędowe, takie jak drgające włosy lub obracające się flagellum.”

Zespół FAU współpracował z naukowcami z Uniwersytetu w Liège i Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg dla Energii Odnawialnej, aby opracować podobnego pływaka, który wydaje się nie być ograniczony przez twierdzenie muszli. Dość prosty model działa z liniową sprężyną, która łączy dwie różnej wielkości kule. Mikropływak nadal jest w stanie poruszać się przez płyn, gdy sprężyna rozpręża się i kurczy symetrycznie podczas odwrócenia czasu.

„Początkowo testowaliśmy tę zasadę przy użyciu symulacji komputerowych”, mówi Maxime Hubert. „Następnie zbudowaliśmy funkcjonalny model.”

Zespół przetestował model, umieszczając dwie stalowe kule, które miały tylko kilkaset mikrometrów średnicy, na powierzchni wody w szalce Petriego. Kurczenie się sprężyny zostało przedstawione przez napięcie powierzchniowe wody, a pole magnetyczne zostało użyte do osiągnięcia rozszerzenia w przeciwnym kierunku. Ten system spowodował, że mikro-kule okresowo odpychały się nawzajem.

Zastosowania praktyczne

Pływak osiąga samonapędzenie ze względu na różne rozmiary kul.

Według dra Huberta, „mniejsza kula reaguje znacznie szybciej na siłę sprężyny niż większa kula. To powoduje niesymetryczny ruch i większa kula jest ciągnięta wraz z mniejszą kulą. Stosujemy zatem zasadę bezwładności, z tym że tutaj zajmujemy się interakcją między ciałami, a nie interakcją między ciałami a wodą.”

Chociaż system nie jest niezwykle szybki, porusza się do przodu o około tysięczną część swojej długości ciała podczas każdego cyklu drgań. Najbardziej imponującym i ważnym czynnikiem nowego systemu jest jednak prostota jego konstrukcji i mechanizmu.

Zespół twierdzi, że taki system mógłby być wykorzystany do opracowania małych pływaków robotów, które mogłyby mieć wiele praktycznych zastosowań w sektorach takich jak opieka zdrowotna. Na przykład, mogłyby być one wykorzystane do transportu leków.

„Zasada, którą odkryliśmy, mogłaby pomóc nam w budowie małych pływaków robotów”, mówi dr Hubert. „Jeden dzień mogą być one wykorzystane do transportu leków przez krew do dokładnej lokalizacji.”