Een team van onderzoekers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), de Universiteit van Luik en het Helmholtz-instituut Erlangen-Nürnberg voor hernieuwbare energie hebben een microzwemmer ontwikkeld die de wetten van de vloeistofdynamica lijkt te tarten:hun model, bestaande uit twee kralen verbonden door een lineaire veer, wordt voortgestuwd door volledig symmetrische trillingen. De scallop-stelling stelt dat dit niet kan worden bereikt in vloeibare microsystemen. De bevindingen zijn nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Sint-jakobsschelpen kunnen in water zwemmen door snel in hun schelpen te klappen. Ze zijn groot genoeg om nog steeds vooruit te kunnen bewegen door het traagheidsmoment terwijl de sint-jakobsschelp zijn schaal opent voor de volgende slag. Echter, de stelling van de sint-jakobsschelp is min of meer van toepassing afhankelijk van de dichtheid en viscositeit van de vloeistof:een zwemmer die symmetrische of wederzijdse voorwaartse of achterwaartse bewegingen maakt, vergelijkbaar met het openen en sluiten van de schelp, zal geen centimeter bewegen. "Zwemmen door water is net zo moeilijk voor microscopisch kleine organismen als zwemmen door teer voor mensen, "zegt Dr. Maxime Hubert. "Dit is de reden waarom eencellige organismen relatief complexe voortstuwingsmiddelen hebben, zoals trillende haren of roterende flagella."

Zwemmen op mesoschaal

Dr. Hubert is een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Prof. Dr. Ana-Suncana Smith aan het Institute of Theoretical Physics van de FAU. Samen met onderzoekers van de Universiteit van Luik en het Helmholtz Instituut Erlangen-Nürnberg voor hernieuwbare energie, het FAU-team heeft een zwemmer ontwikkeld die niet lijkt te worden beperkt door de Scallop-stelling:het eenvoudige model bestaat uit een lineaire veer die twee kralen van verschillende grootte met elkaar verbindt. Hoewel de veer symmetrisch uitzet en samentrekt onder tijdsomkering, de microzwemmer kan nog steeds door de vloeistof bewegen.ü

"We hebben dit principe oorspronkelijk getest met computersimulaties, " zegt Maxime Hubert. "We hebben toen een werkend model gebouwd." In het praktijkexperiment de wetenschappers plaatsten twee stalen kralen met een diameter van slechts een paar honderd micrometer op het wateroppervlak in een petrischaal. De oppervlaktespanning van het water vertegenwoordigde de samentrekking van de veer en uitzetting in de tegenovergestelde richting werd bereikt met een magnetisch veld dat ervoor zorgde dat de microkralen elkaar periodiek afstoten.

Visie:Zwemrobots voor het vervoeren van drugs

De zwemmer kan zichzelf voortbewegen omdat de kralen van verschillende grootte zijn. Maxime Hubert zegt, "De kleinere hiel reageert veel sneller op de veerkracht dan de grotere hiel. Dit veroorzaakt een asymmetrische beweging en de grotere hiel wordt meegetrokken met de kleinere hiel. We gebruiken daarom het principe van traagheid, met het verschil dat we ons hier bezighouden met de interactie tussen de lichamen in plaats van de interactie tussen de lichamen en het water."

Hoewel het systeem geen prijzen zal winnen voor snelheid - het beweegt ongeveer een duizendste van zijn lichaamslengte naar voren tijdens elke oscillatiecyclus - is de pure eenvoud van zijn constructie en mechanisme een belangrijke ontwikkeling. "Het principe dat we hebben ontdekt, zou ons kunnen helpen om kleine zwemrobots te bouwen, " zegt Maxime Hubert. "Op een dag kunnen ze worden gebruikt om drugs door het bloed naar een precieze locatie te transporteren."