Pesquisadores Desenvolvem Micro-Nadador que Desafia as Leis da Dinâmica dos Fluidos

Pesquisadores da Universidade Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg (FAU), da Universidade de Liège e do Instituto Helmholtz de Erlangen-Nürnberg para Energia Renovável desenvolveram um novo micro-nadador que desafia as leis da dinâmica dos fluidos. O nadador pode ter aplicações em áreas como a saúde, onde pode ser usado para transportar medicamentos através do sangue.

O modelo da equipe consiste em duas contas conectadas por uma mola linear, e é impulsionado por oscilações completamente simétricas. De acordo com o teorema da Vieira, isso não deveria ser possível em microsistemas de fluidos.

As descobertas da equipe foram publicadas em Physical Review Letters.

Vieiras e o Nadador

As vieiras nadam através da água batendo suas conchas juntas, e enquanto a vieira abre sua concha para o próximo golpe, seu tamanho grande a impulsiona através do momento de inércia. O teorema da Vieira, no entanto, se aplica mais ou menos dependendo da densidade e viscosidade do fluido.

De acordo com o teorema, um nadador que faz movimentos simétricos ou recíprocos para frente e para trás, semelhantes à forma como uma vieira abre e fecha sua concha, provavelmente resultará em um movimento muito pequeno.

Dr. Maxime Hubert é um pesquisador pós-doutorado no grupo do Prof. Dr. Ana-Suncana Smith no Instituto de Física Teórica da FAU.

“Nadar através da água é tão difícil para organismos microscópicos quanto nadar através de alcatrão seria para humanos”, diz o Dr. Hubert. “É por isso que organismos unicelulares têm meios de propulsão comparativamente complexos, como pelos vibrantes ou flagelos rotativos.”

A equipe da FAU colaborou com pesquisadores da Universidade de Liège e do Instituto Helmholtz de Erlangen-Nürnberg para Energia Renovável para desenvolver um nadador semelhante que parece não ser limitado pelo teorema da Vieira. O modelo relativamente simples opera com uma mola linear que conecta duas contas de tamanhos diferentes. O micro-nadador ainda é capaz de se mover através do fluido quando a mola se expande e contrai simetricamente sob reversão de tempo.

“Originalmente, testamos este princípio usando simulações de computador”, diz Maxime Hubert. ‘Então, construímos um modelo funcional.”

A equipe testou o modelo colocando duas contas de aço, que tinham apenas alguns hundredos de micrômetros de diâmetro, na superfície da água dentro de uma placa de Petri. A contração da mola foi representada pela tensão superficial da água, e um campo magnético foi usado para alcançar a expansão na direção oposta. Este sistema causou que as micro-contas se repelassem periodicamente.

Usos no Mundo Real

O nadador alcança autopropulsão devido aos tamanhos diferentes das contas.

De acordo com o Dr. Hubert, “A conta menor reage muito mais rápido à força da mola do que a conta maior. Isso causa movimento assimétrico e a conta maior é puxada junto com a conta menor. Estamos, portanto, usando o princípio da inércia, com a diferença de que aqui estamos preocupados com a interação entre os corpos, e não com a interação entre os corpos e a água.”

Embora o sistema não seja incrivelmente rápido, ele se move para a frente cerca de um milésimo do comprimento do corpo durante cada ciclo de oscilação. No entanto, o fator mais impressionante e importante do novo sistema é a simplicidade de sua construção e mecanismo.

A equipe diz que tal sistema pode ser usado para desenvolver pequenos robôs nadadores, que podem ter muitos usos no mundo real em setores como a saúde. Por exemplo, eles podem ser usados para o transporte de medicamentos.

“O princípio que descobrimos pode nos ajudar a construir pequenos robôs nadadores”, diz o Dr. Hubert. “Um dia, eles podem ser usados para transportar medicamentos através do sangue para um local preciso.”