นักวิจัยพัฒนาม이크โครสวิมเมอร์ที่ฝ่าฝืนกฎของพลศาสตร์ของไหล

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) มหาวิทยาลัย Liège และสถาบัน Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy ได้พัฒนามิคโครสวิมเมอร์ใหม่ที่ฝ่าฝืนกฎของพลศาสตร์ของไหล มิคโครสวิมเมอร์นี้อาจมีการใช้งานในด้านต่างๆ เช่น ด้านสุขภาพ โดยสามารถใช้ในการขนส่งยาผ่านเลือด

แบบจำลองของทีมนี้ประกอบด้วยลูกบอลสองลูกที่เชื่อมต่อกันด้วยสปริงเชิงเส้น และถูกขับเคลื่อนด้วยการ振荡ที่สมมาตรอย่างสมบูรณ์ ตามทฤษฎีของ Scallop ไม่ควรเป็นไปได้ในระบบไหลขนาดเล็ก

ผลการวิจัยของนักวิจัยได้รับการตีพิมพ์ใน Physical Review Letters.

หอยและนักว่ายน้ำ

หอยว่ายน้ำผ่านน้ำโดยการปิดและเปิดเปลือกของมัน และในขณะที่หอยกำลังเปิดเปลือกสำหรับการตีครั้งถัดไป ขนาดที่ใหญ่ของมันจะขับเคลื่อนมันผ่านโมเมนตัมของมัน ทฤษฎีของ Scallop ใช้ได้มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและความหนืดของไหล

ตามทฤษฎี นักว่ายน้ำที่ทำการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและข้างหลังที่สมมาตรหรือสัมพันธ์กัน เช่นเดียวกับหอยที่เปิดและปิดเปลือกของมัน จะมีการเคลื่อนที่ที่เล็กมาก

ดร. Maxime Hubert เป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกในกลุ่มของ Prof. Dr. Ana-Suncana Smith ที่สถาบันฟิสิกส์ทฤษฎีของ FAU

“การว่ายน้ำผ่านน้ำเป็นเรื่องที่ยากสำหรับสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก เช่นเดียวกับการว่ายน้ำผ่านยางมะตอยสำหรับมนุษย์” ดร. Hubert กล่าว “นี่คือเหตุผลที่สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กมีวิธีการขับเคลื่อนที่ซับซ้อน เช่น การสั่นของขนหรือการหมุนของแฟลเจลลา”

ทีม FAU ร่วมมือกับนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Liège และสถาบัน Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy เพื่อพัฒนานักว่ายน้ำที่คล้ายกันซึ่งดูเหมือนว่าจะไม่ถูกจำกัดโดยทฤษฎีของ Scallop แบบจำลองที่ค่อนข้างง่ายนี้ทำงานด้วยสปริงเชิงเส้นที่เชื่อมต่อกับลูกบอลสองลูกที่มีขนาดต่างกัน มิคโครสวิมเมอร์ยังคงสามารถเคลื่อนที่ผ่านไหลได้เมื่อสปริงขยายและหดตัวสมมาตรภายใต้การย้อนกลับของเวลา

“เราทดสอบหลักการนี้โดยใช้การจำลองทางคอมพิวเตอร์” Maxime Hubert กล่าว “จากนั้นเราจึงสร้างแบบจำลองที่ทำงานได้”

ทีมทดสอบแบบจำลองโดยการวางลูกบอลเหล็กสองลูกที่ม直径เพียงไม่กี่ร้อยไมโครเมตรบนพื้นผิวของน้ำในจาน Petri การหดตัวของสปริงถูกแทนที่ด้วยความตึงผิวของน้ำ และใช้สนามแม่เหล็กเพื่อให้ได้การขยายในทางตรงกันข้าม ระบบนี้ทำให้ลูกบอลขนาดเล็กผลักออกจากกันอย่างเป็นระยะ

การใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง

นักว่ายน้ำบรรลุการขับเคลื่อนด้วยตนเองเนื่องจากขนาดที่แตกต่างกันของลูกบอล

ตามที่ดร. Hubert กล่าว “ลูกบอลที่เล็กกว่าจะตอบสนองต่อแรงสปริงได้เร็วกว่าลูกบอลที่ใหญ่กว่า ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ที่ไม่สมมาตร และลูกบอลที่ใหญ่กว่าจะถูกดึงตามไปด้วยลูกบอลที่เล็กกว่า เราจึงใช้หลักการของโมเมนตัม โดยที่เรากำลังพิจารณาการโต้ตอบระหว่างวัตถุแทนที่จะเป็นการโต้ตอบระหว่างวัตถุและน้ำ”

แม้ว่าระบบนี้จะไม่ได้เร็วมาก แต่ก็เคลื่อนที่ไปข้างหน้าประมาณหนึ่งในพันของความยาวของร่างกายในช่วงการ振荡แต่ละครั้ง อย่างไรก็ตาม ปัจจัยที่น่าประทับใจและสำคัญที่สุดของระบบใหม่นี้คือความเรียบง่ายของการก่อสร้างและกลไก

ทีมวิจัยกล่าวว่าระบบดังกล่าวสามารถใช้ในการพัฒนานักว่ายน้ำขนาดเล็กที่อาจมีการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริงหลายอย่าง เช่น ในด้านสุขภาพ เช่น การขนส่งยา

“หลักการที่เราค้นพบอาจช่วยให้เราสร้างนักว่ายน้ำขนาดเล็กที่สามารถขนส่งยาผ่านเลือดไปยังตำแหน่งที่แน่นอน” ดร. Hubert กล่าว