Forskare utvecklar mikrosimmare som bryter mot vätskedynamikens lagar

Forskare vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Universitetet i Liège och Helmholtz-institutet Erlangen-Nürnberg för förnybar energi har utvecklat en ny mikrosimmare som bryter mot vätskedynamikens lagar. Simmaren kan ha tillämpningar inom områden som hälsovård, där den kan användas för att transportera läkemedel genom blodet.

Teamets modell består av två kulor som är anslutna med en linjär fjäder, och den drivs av helt symmetriska oscillationer. Enligt Scallop-teoremet borde detta inte vara möjligt i vätskebaserade mikrosystem.

Forskarnas resultat publicerades i Physical Review Letters.

Musslor och simmaren

Musslor simmar genom vatten genom att klappa sina skal tillsammans, och medan musslan öppnar sitt skal för nästa slag, driver dess stora storlek den framåt genom tröghet. Scallop-teoremet gäller dock mer eller mindre beroende på vätskans densitet och viskositet.

Enligt teoremet kommer en simmare som gör symmetriska eller reciproka fram- och bakåtrörelser, liknande det sätt som en mussla öppnar och stänger sitt skal, sannolikt att resultera i mycket liten rörelse.

Dr. Maxime Hubert är en postdoktorand i professor Dr. Ana-Suncana Smiths grupp vid institutet för teoretisk fysik vid FAU.

“Att simma genom vatten är lika svårt för mikroskopiska organismer som att simma genom tjära vore för människor”, säger Dr. Hubert. “Det är därför som encellsorganismer har relativt komplexa medel för framdrift, såsom vibrerande hår eller roterande flageller.”

FAU-teamet samarbetade med forskare vid Universitetet i Liège och Helmholtz-institutet Erlangen-Nürnberg för förnybar energi för att utveckla en liknande simmare som verkar inte vara begränsad av Scallop-teoremet. Den ganska enkla modellen opererar med en linjär fjäder som ansluter två olika storlekar på kulor. Mikrosimmaren kan fortfarande röra sig genom vätskan när fjädern expanderar och kontraherar symmetriskt under tidsreversering.

“Vi testade ursprungligen denna princip med hjälp av datorsimulationer”, säger Maxime Hubert. ‘Sedan byggde vi en fungerande modell.”

Teamet testade modellen genom att placera två stålkulor, som var bara några hundra mikrometer i diameter, på ytan av vatten i en Petrisskål. Kontraktionen av fjädern representerades av vattenytans spänning, och ett magnetfält användes för att uppnå expansion i den motsatta riktningen. Detta system orsakade att mikrokulorna periodiskt repellerade varandra.

Verkliga tillämpningar

Simmaren uppnår självframdrift på grund av de olika storlekarna på kulorna.

Enligt Dr. Hubert, “Den mindre kuloran reagerar mycket snabbare på fjäderkraften än den större kuloran. Detta orsakar asymmetrisk rörelse och den större kuloran dras med den mindre kuloran. Vi använder därför principen om tröghet, med den skillnaden att vi här är angelägna om interaktionen mellan kropparna snarare än interaktionen mellan kropparna och vatten.”

Medan systemet inte är otroligt snabbt, rör det sig framåt omkring en tusendel av sin kroppslängd under varje oscillationscykel. Men det mest imponerande och viktiga faktum om det nya systemet är enkelheten i dess konstruktion och mekanism.

Teamet säger att ett sådant system kan användas för att utveckla små simmande robotar, som kan ha många verkliga tillämpningar inom områden som hälsovård. Till exempel kan de användas för läkemedelstransport.

“Principen som vi har upptäckt kan hjälpa oss att konstruera små simmande robotar”, säger Dr. Hubert. “En dag kan de användas för att transportera läkemedel genom blodet till en exakt plats.”