Исследователи разработали микроплавающее устройство, которое нарушает законы гидродинамики

Исследователи из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU), Университета Льежа и Института Гельмгольца в Эрлангене-Нюрнберге по возобновляемой энергии разработали новое микроплавающее устройство, которое нарушает законы гидродинамики. Это устройство может иметь применения в таких областях, как здравоохранение, где оно может быть использовано для транспортировки лекарств через кровь.

Модель команды состоит из двух шариков, соединенных линейной пружиной, и оно приводится в движение полностью симметричными колебаниями. Согласно теореме гребешка, это должно быть невозможно в микрофлюидных системах.

Результаты исследований были опубликованы в Physical Review Letters.

Гребешки и пловец

Гребешки плавают через воду, хлопая своими раковинами вместе, и пока гребешок открывает свою раковину для следующего удара, его большой размер продвигает его через момент инерции. Теорема гребешка, однако, применяется больше или меньше в зависимости от плотности и вязкости жидкости.

Согласно теореме, пловец, который делает симметричные или обратные движения вперед и назад, подобно тому, как гребешок открывает и закрывает свою раковину, скорее всего, приведет к очень небольшому движению.

Доктор Максим Хуберт – постдокторант в группе профессора доктора Ана-Сунчаны Смит в Институте теоретической физики FAU.

“Плавание через воду так же трудно для микроскопических организмов, как плавание через смолу для людей”, – говорит доктор Хуберт. “Это почему одноклеточные организмы имеют сравнительно сложные средства движения, такие как вибрирующие волосы или вращающиеся жгутики.”

Команда FAU сотрудничала с исследователями из Университета Льежа и Института Гельмгольца в Эрлангене-Нюрнберге по возобновляемой энергии, чтобы разработать аналогичный пловец, который, кажется, не ограничен теоремой гребешка. Довольно простая модель работает с линейной пружиной, которая соединяет два шарика разного размера. Микропловец все еще способен двигаться через жидкость, когда пружина расширяется и сжимается симметрично под временной обратностью.

“Мы изначально проверили этот принцип с помощью компьютерных симуляций”, – говорит Максим Хуберт. “Затем мы построили функционирующую модель.”

Команда проверила модель, поместив два стальных шарика, которые были только несколько сотен микрометров в диаметре, на поверхность воды внутри чашки Петри. Сжатие пружины было представлено поверхностным натяжением воды, и магнитное поле было использовано для достижения расширения в противоположном направлении. Эта система вызвала периодическое отталкивание микрошариков.

Практические применения

Пловец достигает самоходности благодаря разному размеру шариков.

Согласно доктору Хуберту, “меньший шарик реагирует намного быстрее на силу пружины, чем больший шарик. Это вызывает асимметричное движение, и больший шарик тянется вместе с меньшим шариком. Мы поэтому используем принцип инерции, с той разницей, что здесь мы занимаемся взаимодействием между телами, а не взаимодействием между телами и водой.”

Хотя система не чрезвычайно быстрая, она движется вперед примерно на тысячную часть своей длины тела во время каждого цикла колебаний. Однако наиболее впечатляющим и важным фактором новой системы является простота ее конструкции и механизма.

Команда говорит, что такая система может быть использована для разработки крошечных пловчих роботов, которые могут иметь много практических применений в таких областях, как здравоохранение. Например, они могут быть использованы для транспортировки лекарств.

“Принцип, который мы открыли, может помочь нам построить крошечных пловчих роботов”, – говорит доктор Хуберт. “Однажды они могут быть использованы для транспортировки лекарств через кровь к точному месту.”