Cercetătorii Dezvoltă Un Microînotător Care Încalcă Legile Dinamicii Fluidelor

Cercetătorii de la Universitatea Friedrich-Alexander-Erlangen-Nürnberg (FAU), Universitatea din Liège și Institutul Helmholtz Erlangen-Nürnberg pentru Energie Regenerabilă au dezvoltat un microînotător nou care încalcă legile dinamicii fluidelor. Înotătorul ar putea avea aplicații în domenii precum sănătatea, unde ar putea fi utilizat pentru transportul de medicamente prin sânge.

Modelul echipei este format din două bile conectate printr-o arcă liniară și este propulsat de oscilații complet simetrice. Conform teoremei Scallop, acest lucru nu ar trebui să fie posibil în sistemele microfluide.

Rezultatele cercetătorilor au fost publicate în Physical Review Letters.

Stridiile și Înotătorul

Stridiile înoată prin apă prin închiderea și deschiderea cochiliilor, și în timp ce stridia deschide cochilia pentru următoarea lovitură, mărimea sa mare o propulsează prin momentul de inerție. Teorema Scallop, totuși, se aplică mai mult sau mai puțin în funcție de densitatea și vâscozitatea fluidului.

Conform teoremei, un înotător care face mișcări simetrice sau reciproce înainte și înapoi, similare cu modul în care o stridie închide și deschide cochilia, va rezulta probabil într-o mișcare foarte mică.

Dr. Maxime Hubert este cercetător postdoctoral în grupul Prof. Dr. Ana-Suncana Smith de la Institutul de Fizică Teoretică de la FAU.

„Înotul prin apă este la fel de greu pentru organisme microscopice ca și înotul prin smoală pentru oameni”, spune Dr. Hubert. „De aceea, organisme unicelulare au mijloace de propulsie relativ complexe, cum ar fi vibrarea părului sau rotația flagelului.”

Echipa de la FAU a colaborat cu cercetători de la Universitatea din Liège și Institutul Helmholtz Erlangen-Nürnberg pentru Energie Regenerabilă pentru a dezvolta un înotător similar care pare să nu fie limitat de teorema Scallop. Modelul relativ simplu funcționează cu o arcă liniară care conectează două bile de mărimi diferite. Microînotătorul este încă capabil să se miște prin fluid atunci când arca se extinde și se contractă simetric sub inversarea timpului.

„Am testat inițial acest principiu folosind simulări pe computer”, spune Maxime Hubert. „Apoi am construit un model funcțional.”

Echipa a testat modelul plasând două bile de oțel, care aveau doar câteva sute de micrometri în diametru, pe suprafața apei dintr-un vas Petri. Contracția arcei a fost reprezentată de tensiunea superficială a apei, și un câmp magnetic a fost utilizat pentru a obține extinderea în direcția opusă. Acest sistem a cauzat microbilele să se respingă periodic.

Aplicații Practice

Înotătorul atinge autopropulsia datorită mărimilor diferite ale bilelor.

Conform Dr. Hubert, „bila mai mică reacționează mult mai rapid la forța arcei decât bila mai mare. Acest lucru cauzează o mișcare asimetrică și bila mai mare este trasă împreună cu bila mai mică. Prin urmare, utilizăm principiul inerției, cu diferența că aici ne preocupăm de interacțiunea dintre corpuri, și nu de interacțiunea dintre corpuri și apă.”

Deși sistemul nu este incredibil de rapid, el se deplasează înainte cu aproximativ o miime de corpul său lungime în timpul fiecărui ciclu de oscilație. Cu toate acestea, factorul cel mai impresionant și mai important al noului sistem este simplitatea construcției și a mecanismului său.

Echipa spune că un astfel de sistem ar putea fi utilizat pentru a dezvolta roboți microînotători, care ar putea avea multe aplicații practice în sectoare precum sănătatea. De exemplu, ar putea fi utilizați pentru transportul de medicamente.

„Principiul pe care l-am descoperit ne-ar putea ajuta să construim roboți microînotători”, spune Dr. Hubert. „Într-o zi, ar putea fi utilizați pentru a transporta medicamente prin sânge la o locație precisă.”