Дослідники розробили мікроплавець, який порушує закони гідродинаміки

Дослідники з Фрідріх-Александрового університету Ерлангена-Нюрнберга (FAU), Університету Льєжа та Інституту Гельмгольца Ерлангена-Нюрнберга з відновлювальної енергетики розробили новий мікроплавець, який порушує закони гідродинаміки. Цей плавець може мати застосування в галузях, таких як охорона здоров’я, де його можна використовувати для транспортування ліків через кров.

Модель команди складається з двох кульок, з’єднаних лінійною пружиною, і рухається завдяки абсолютно симетричним коливанням. За теоремою мідії, це не повинно бути можливим у рідинних мікросистемах.

Результати досліджень команди були опубліковані в Physical Review Letters.

Мідія і плавець

Мідія плаває через воду, закриваючи свою оболонку, і поки мідія відкриває свою оболонку для наступного руху, її великий розмір рухається через момент інерції. Теорема мідії, однак, застосовується більше або менше залежно від густини та в’язкості рідини.

За теоремою, плавець, який робить симетричні або взаємні рухи вперед і назад, подібні до того, як мідія відкриває і закриває свою оболонку, найімовірніше призведе до дуже малих рухів.

Доктор Максим Губерт – постдокторальний дослідник у групі професора доктора Ана-Сунчани Сміт у Інституті теоретичної фізики FAU.

“Плавання через воду так само складне для мікроскопічних організмів, як плавання через смолу для людей”, – говорить доктор Губерт. “Це тому, що одноклітинні організми мають порівняно складні засоби руху, такі як вібруючі волоски або обертальні джгутики.”

Команда FAU співпрацювала з дослідниками Університету Льєжа та Інституту Гельмгольца Ерлангена-Нюрнберга з відновлювальної енергетики, щоб розробити подібний плавець, який, здається, не обмежений теоремою мідії. Доволі проста модель працює з лінійною пружиною, яка з’єднує дві кульки різного розміру. Мікроплавець все ще здатний рухатися через рідину, коли пружина розширюється і стискається симетрично під час часу обороту.

“Ми спочатку протестували цей принцип за допомогою комп’ютерних симуляцій”, – говорить Максим Губерт. “Потім ми побудували робочу модель.”

Команда протестувала модель, помістивши дві стальні кульки, які мали лише кілька сотень мікрометрів у діаметрі, на поверхню води всередині чашки Петрі. Стиснення пружини було представлено поверхневою напруженістю води, а магнітне поле було використано для досягнення розширення в протилежному напрямку. Ця система спричинила періодичне відштовхування мікрокульок один від одного.

Практичне застосування

Плавець досягає саморуху завдяки різному розміру кульок.

За словами доктора Губерта, “Менша кулька реагує набагато швидше на силу пружини, ніж більша кулька. Це спричиняє асиметричний рух, і більша кулька тягнеться за меншою кулькою. Таким чином, ми використовуємо принцип інерції, з тією різницею, що тут ми займаємося взаємодією між тілами, а не взаємодією між тілами та водою.”

Хоча система не надзвичайно швидка, вона рухається вперед приблизно на тисячну частину своєї довжини під час кожного циклу коливань. Однак найвражаючий і найважливіший фактор нової системи – це простота її конструкції та механізму.

Команда каже, що така система могла б бути використана для розробки малих плаваючих роботів, які могли б мати багато практичних застосувань у галузях, таких як охорона здоров’я. Наприклад, їх можна було б використовувати для транспортування ліків.

“Принцип, який ми відкрили, міг би допомогти нам побудувати малі плаваючі роботи”, – говорить доктор Губерт. “Одного дня вони могли б бути використані для транспортування ліків через кров до точного місця.”