Pesquisadores desenvolvem micronadador que desafia as leis da dinâmica dos fluidos

Pesquisadores da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), da Universidade de Liège e do Instituto Helmholtz Erlangen-Nürnberg para Energias Renováveis ​​desenvolveram um novo micronadador que desafia as leis da dinâmica dos fluidos. O nadador pode ter aplicações em áreas como a saúde, onde pode ser usado para transportar drogas pelo sangue. 

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

As descobertas dos pesquisadores foram publicadas na Physical Review Letters.

Vieiras e o nadador

As vieiras nadam na água batendo suas conchas uma na outra e, enquanto a vieira abre sua concha para a próxima braçada, seu grande tamanho a impulsiona através do momento de inércia. O teorema de Scallop, no entanto, aplica-se 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, semelhante à forma como uma vieira abre e fecha sua concha, provavelmente resultará em um movimento muito pequeno. 

O Dr. Maxime Hubert é pesquisador de pós-doutorado no grupo da Profa. Dra. Ana-Suncana Smith no Instituto de Física Teórica da FAU. 

“Nadar na água é tão difícil para os organismos microscópicos quanto nadar no alcatrão seria para os humanos”, diz o Dr. Hubert. “É por isso que os 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 Erlangen-Nürnberg para Energias Renováveis ​​para desenvolver um nadador semelhante que parece não ser limitado pelo teorema Scallop. O modelo bastante simples opera com uma mola linear que conecta duas esferas de tamanhos diferentes. O micronadador ainda é capaz de se mover através do fluido quando a mola se expande e se contrai simetricamente sob a reversão do tempo. 

“Nós originalmente testamos esse princípio usando simulações de computador”, diz Maxime Hubert. 'Em seguida, construímos um modelo funcional.

A equipe testou o modelo colocando duas esferas de aço, com apenas algumas centenas 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 obter a expansão na direção oposta. Este sistema fez com que as microesferas se repelissem periodicamente. 

Usos no mundo real

O nadador consegue autopropulsão devido aos diferentes tamanhos das esferas. 

De acordo com o Dr. Hubert, “O cordão menor reage muito mais rápido à força da mola do que o cordão maior. Isso causa um movimento assimétrico e o cordão maior é puxado junto com o cordão 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 avança 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 esse 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 poderiam ser usados ​​para o transporte de drogas. 

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