Investigadores de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), la Universidad de Lieja y el Instituto Helmholtz Erlangen-Nürnberg para Energías Renovables han desarrollado un nuevo micronadador que desafía las leyes de la dinámica de fluidos. El nadador podría tener aplicaciones en áreas como la atención médica, donde podría usarse para transportar drogas a través de la sangre.
El modelo del equipo consta de dos cuentas conectadas por un resorte lineal y es propulsado por oscilaciones completamente simétricas. Según el teorema de Scallop, esto no debería ser posible en microsistemas fluidos.
Los hallazgos de los investigadores fueron publicados en Cartas de revisión física.
Vieiras y el nadador
Las vieiras nadan en el agua golpeando sus conchas, y mientras la vieira abre su concha para la siguiente brazada, su gran tamaño la impulsa a través del momento de inercia. El teorema de Scallop, sin embargo, se aplica más o menos dependiendo de la densidad y viscosidad del fluido.
De acuerdo con el teorema, un nadador que realiza movimientos simétricos o recíprocos hacia adelante y hacia atrás, similar a la forma en que una vieira abre y cierra su caparazón, probablemente resultará en un movimiento muy pequeño.
El Dr. Maxime Hubert es investigador postdoctoral en el grupo de la Prof. Dra. Ana-Suncana Smith en el Instituto de Física Teórica de la FAU.
“Nadar en el agua es tan difícil para los organismos microscópicos como lo sería nadar en el alquitrán para los humanos”, dice el Dr. Hubert. “Es por eso que los organismos unicelulares tienen medios de propulsión comparativamente complejos, como pelos vibrantes o flagelos giratorios”.
El equipo de FAU colaboró con investigadores de la Universidad de Lieja y el Instituto Helmholtz Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy para desarrollar un nadador similar que parece no estar limitado por el teorema Scallop. El modelo bastante simple funciona con un resorte lineal que conecta dos cuentas de diferentes tamaños. El micronadador aún es capaz de moverse a través del fluido cuando el resorte se expande y se contrae simétricamente bajo la inversión del tiempo.
“Originalmente probamos este principio usando simulaciones por computadora”, dice Maxime Hubert. “Luego construimos un modelo funcional”.
El equipo probó el modelo colocando dos cuentas de acero, que tenían solo unos pocos cientos de micrómetros de diámetro, en la superficie del agua dentro de una placa de Petri. La contracción del manantial estaba representada por la tensión superficial del agua, y se utilizó un campo magnético para lograr la expansión en sentido contrario. Este sistema provocó que las microesferas se repelieran periódicamente entre sí.
Usos del mundo real
El nadador logra la autopropulsión debido a los diferentes tamaños de las cuentas.
Según el Dr. Hubert, “La perla más pequeña reacciona mucho más rápido a la fuerza del resorte que la perla más grande. Esto provoca un movimiento asimétrico y el cordón más grande es arrastrado junto con el cordón más pequeño. Por lo tanto, estamos utilizando el principio de inercia, con la diferencia de que aquí nos preocupa la interacción entre los cuerpos en lugar de la interacción entre los cuerpos y el agua”.
Si bien el sistema no es increíblemente rápido, avanza aproximadamente una milésima parte de la longitud de su cuerpo durante cada ciclo de oscilación. Sin embargo, el factor más impresionante e importante del nuevo sistema es la simplicidad de su construcción y mecanismo.
El equipo dice que dicho sistema podría usarse para desarrollar pequeños robots de natación, que podrían tener muchos usos en el mundo real en sectores como el de la atención médica. Por ejemplo, podrían ser utilizados para el transporte de drogas.
“El principio que hemos descubierto podría ayudarnos a construir pequeños robots nadadores”, dice el Dr. Hubert. “Algún día podrían usarse para transportar drogas a través de la sangre a un lugar preciso”.