Ett team av forskare från Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), universitetet i Liège och Helmholtz-institutet Erlangen-Nürnberg för förnybar energi har utvecklat en mikrosimmare som verkar trotsa vätskedynamikens lagar:deras modell, bestående av två pärlor förbundna med en linjär fjäder, drivs av helt symmetriska svängningar. Pilgrimsmusslans sats säger att detta inte kan uppnås i vätskemikrosystem. Resultaten har nu publicerats i den akademiska tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Pilgrimsmusslor kan simma i vatten genom att snabbt klappa ihop sina skal. De är tillräckligt stora för att fortfarande kunna röra sig framåt genom tröghetsmomentet medan pilgrimsmusslan öppnar sitt skal för nästa slag. Dock, Pilgrimsmusslans sats gäller mer eller mindre beroende på vätskans densitet och viskositet:En simmare som gör symmetriska eller ömsesidiga rörelser framåt eller bakåt liknande öppningen och stängningen av pilgrimsmusslans skal kommer inte att röra sig en tum. "Simning genom vatten är lika tufft för mikroskopiska organismer som att simma genom tjära skulle vara för människor, " säger Dr Maxime Hubert. "Det är därför encelliga organismer har jämförelsevis komplexa framdrivningssätt som vibrerande hårstrån eller roterande flageller."

Simning på mesoskalan

Dr Hubert är postdoktor i Prof. Dr. Ana-Suncana Smiths grupp vid Institutet för teoretisk fysik vid FAU. Tillsammans med forskare vid universitetet i Liège och Helmholtz-institutet Erlangen-Nürnberg för förnybar energi, FAU-teamet har utvecklat en simmare som inte verkar vara begränsad av Scallop-satsen:Den enkla modellen består av en linjär fjäder som förbinder två pärlor av olika storlekar. Även om fjädern expanderar och drar ihop sig symmetriskt under tidsomkastning, mikrosimmaren kan fortfarande röra sig genom vätskan.ü

"Vi testade ursprungligen denna princip med datorsimuleringar, " säger Maxime Hubert. "Vi byggde sedan en fungerande modell." I det praktiska experimentet, forskarna placerade två stålpärlor som mätte bara några hundra mikrometer i diameter på ytan av vatten som fanns i en petriskål. Vattnets ytspänning representerade fjäderns sammandragning och expansion i motsatt riktning uppnåddes med ett magnetfält som fick mikropärlorna att periodvis stöta bort andra.

Vision:Simrobotar för att transportera droger

Simmaren kan driva sig själv eftersom pärlorna är av olika storlek. Maxime Hubert säger, "Den mindre vulsten reagerar mycket snabbare på fjäderkraften än den större vulsten. Detta orsakar asymmetrisk rörelse och den större vulsten dras tillsammans med den mindre vulsten. Vi använder därför tröghetsprincipen, med skillnaden att vi här handlar om interaktionen mellan kropparna snarare än interaktionen mellan kropparna och vattnet."

Även om systemet inte vinner några priser för hastighet – det rör sig framåt ungefär en tusendel av sin kroppslängd under varje svängningscykel – är den stora enkelheten i dess konstruktion och mekanism en viktig utveckling. "Principen som vi har upptäckt kan hjälpa oss att konstruera små simrobotar, ", säger Maxime Hubert. "En dag kan de användas för att transportera droger genom blodet till en exakt plats."