Att röra sig inom granulatmedier som sand är ett knep som förekommer inte bara i science-fiction-filmer. Sandfisködlan, som bor i öknen, kan också utföra denna uppgift. För att göra det, denna ödla beter sig som en fisk och vågar sin kropp för att nå en toppfart på två kroppslängder per sekund.

Framdrivningen av sandfisködlor har visat sig bero på att motståndet mot sand är större för en rörelse i en vinkelrätt mot kroppen än för en rörelse i längdriktningen. En sådan egenskap kallas anisotrop friktion.

Långt från öknar och granulatmedier, andra organismer använder sådana anisotropa egenskaper hos medierna för att driva sig själva. Detta är fallet för mikroorganismer i viskösa vätskor. Som i sand, deras kroppar upplever ett motstånd per kroppslängd som är större för en vinkelrät rörelse än för en längsgående. Detta förklarar varför många bakterier böljer svansarna för att driva i trögflytande vätskor som sandfisk i sand.

Dock, Att slå en svans är inte det enda sättet för rörelse som används av bakterier att röra sig i en viskös vätska. Till exempel, E. coli använder rotationen av en spiralformad svans för samma ändamål.

En sådan observation har väckt nyfikenheten hos ett team av forskare vid fysikavdelningen vid universitetet i Santiago i Chile. Francisco Melo, som leder laget, frågade sig själv:"Framkallar spiralrotation framdrivning i ett granulärt medium som i en viskös vätska?"

För att svara på frågan, Alejandro Ibarra, en doktorsexamen student involverad i detta projekt, föreställde mig ett experiment för att studera den horisontella rörelsen för en helix som roterar till ett granulärt medium. Forskarna placerade en spiral i en kornpöl och kopplade den till en extern motor med hjälp av en liten stav som passerade genom poolens vägg. Motorn var placerad på ett linjärt stadium för att tillåta dess horisontella rörelse. Denna inställning tillåter rotation av spiralen samtidigt som dess horisontella rörelse frigörs.

"Vi observerade att när spiralen var tillräckligt djupt in i det granulära mediet, dess rotation ledde till en framdrivande rörelse längs den horisontella axeln, "sade Baptiste Darbois Texier, en postdoktor vid fysikavdelningen.

Med denna inställning, forskarna studerade spiralens hastighet beroende på dess rotationshastighet, dess djup i den granulära poolen och den externa belastningen som appliceras på systemet. Dessutom, de tillverkade spiraler av olika geometrier och testade dem i den granulära poolen. Parallellt, de utvecklade en teoretisk modell för att beskriva den anisotropa friktionen som helixen upplever baserat på en längsgående och transversal friktionskoefficient. Modellen fångar deras experimentella observationer och förutspår den optimala utformningen av spiralen för att driva i ett granulärt medium.

Till sist, laget utvecklade en proof-of-concept robot baserad på spiralformad framdrivning som fungerar i granulärt material. Robothuvudet innehåller ett litet batteri och en liten motor som säkerställer rotation av den spiralformade svansen. Designen innehåller också fyra pallar för att undvika rotation av huvudet snarare än svansen. Roboten visade sig vara mycket robust i framdrivning genom olika typer av korn. Eftersom aktiveringen av denna sandrobot är baserad på en enkel motor, det är mycket lättare att implementera än de som reproducerar sandfisködlornas böljande rörelse. Således, denna studie banar väg för en ny typ av robot som fungerar i heterogena medier som sand eller torr snö.