研究人员开发出违反流体动力学定律的微型游泳器

埃尔朗根-纽伦堡大学（FAU）、列日大学和埃尔朗根-纽伦堡可再生能源赫尔姆霍兹研究所的研究人员开发了一种新的微型游泳器，它违反了流体动力学的定律。这种游泳器可能在医疗保健等领域有应用，例如可以用来将药物输送到血液中。

该团队的模型由两个通过线性弹簧连接的珠子组成，它们通过完全对称的振荡来推进。根据扇贝定理，这在流体微系统中是不可能的。

研究人员的发现发表在物理评论快报。

扇贝和游泳器

扇贝通过拍打它们的壳来游泳，而当扇贝打开它的壳进行下一次拍打时，它的大尺寸使它能够通过惯性推进。然而，扇贝定理的适用性取决于流体的密度和粘度。

根据定理，一个游泳器如果进行对称或往复的前后运动，类似于扇贝打开和关闭它的壳的方式，很可能会导致非常小的运动。

马克西姆·于贝尔博士是埃尔朗根-纽伦堡大学理论物理研究所安娜-桑卡纳·史密斯教授团队中的一个博士后研究员。

“在水中游泳对于微观生物来说就像人类在柏油中游泳一样困难，”于贝尔博士说。“这就是为什么单细胞生物具有相对复杂的推进方式，例如振动的毛发或旋转的鞭毛。”

埃尔朗根-纽伦堡大学的团队与列日大学和埃尔朗根-纽伦堡可再生能源赫尔姆霍兹研究所的研究人员合作，开发了一种类似的游泳器，它似乎不受扇贝定理的限制。这种相对简单的模型由一个线性弹簧连接两个不同大小的珠子。微型游泳器仍然能够在弹簧对称地膨胀和收缩时在流体中移动。

“我们最初使用计算机模拟测试了这个原理，”马克西姆·于贝尔说。“然后我们建造了一个功能性的模型。”

该团队通过将两个钢珠放在水面的佩特里盘中来测试模型，这两个钢珠的直径只有几百微米。弹簧的收缩由水的表面张力表示，磁场用于实现相反方向的膨胀。这个系统使微珠周期性地相互排斥。

实际应用

游泳器由于珠子的不同大小而实现自推进。

根据于贝尔博士的说法，“较小的珠子对弹簧力反应更快，而较大的珠子则被较小的珠子拉着走。我们利用惯性的原理，但这里我们关注的是物体之间的相互作用，而不是物体和水之间的相互作用。”

虽然这个系统的速度并不惊人，但它在每个振荡周期中向前移动了大约它身体长度的千分之一。然而，这个新系统最令人印象深刻和最重要的因素是其构造和机制的简单性。

该团队表示，这样的系统可以用来开发微小的游泳机器人，这些机器人可以在医疗保健等领域有许多实际应用。例如，它们可以用于药物输送。

“我们发现的原理可以帮助我们构造微小的游泳机器人，”于贝尔博士说。“有一天，它们可能会被用来将药物输送到血液中的特定位置。”