Los investigadores de Princeton han presentado una nueva forma de generar y potencialmente controlar la locomoción en pequeños objetos llamados nadadores artificiales. Estos nadadores han despertado un interés considerable por sus posibles aplicaciones en medicina, industria y otros sectores.

De forma esférica y luciendo dos colas, los nadadores de Princeton, como muchos otros micro nadadores artificiales, siguen el ejemplo de las bacterias, que dependen de apéndices en forma de látigo llamados flagelos y cilios para impulsarse a través de los fluidos. Hasta la fecha, Los científicos han probado todo tipo de impulsos para inducir el movimiento del nadador con cola, incluido el sonido, campos de luz y magnéticos. Los nadadores de Princeton, sin embargo, de forma innovadora, pasar de la exposición a un campo eléctrico, aprovechar un medio para crear movimiento, conocido como rotación de Quincke, nunca antes demostrado en el ámbito de la natación artificial.

"Encontramos algo nuevo en física para la generación de locomoción en sistemas de natación artificial, "dijo Endao Han, miembro del Centro de Física de la Función Biológica de la Universidad de Princeton y autor principal de un estudio que describe los hallazgos publicados en línea en la edición del 20 de julio de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Lo que Endao y nuestros colegas han demostrado en este estudio es una física hermosa que combina conocimientos de muchos campos diferentes, "dijo el autor principal del estudio, Howard Stone, el Profesor Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en la Universidad de Princeton.

El nuevo estudio se basa en el trabajo teórico dirigido por la coautora Lailai Zhu, un ex postdoctorado en el laboratorio de Stone en Princeton y ahora en la Universidad Nacional de Singapur. En estudios publicados en 2019 y 2020, Zhu simuló en un programa de computadora que nadadores artificiales esféricos con colas elásticas deberían moverse a través de un medio, impulsado por la rotación de Quincke. Esta rotación puede ocurrir cuando los materiales aislantes se sumergen en un líquido débilmente conductor y se exponen a un campo eléctrico. El campo eléctrico aunque firme y constante, Sin embargo, crea una inestabilidad que se manifiesta como una fuerza de torsión, haciendo que el material, generalmente con forma de esfera, gire dentro del fluido. Cuando una cola o colas se colocan en la esfera giratoria, las colas se pueden doblar en las formas helicoidales en las que comúnmente confían las bacterias para generar empuje.

Este tipo de movimiento conocido como movimiento no recíproco, es necesario para microorganismos y otras cosas diminutas, natural o artificial, viajar a través de fluidos. A escala humana, movimiento recíproco básico, "como el movimiento de ida y vuelta del remo de un bote, "dijo Stone, supera la inercia y la viscosidad del agua. La viscosidad es una medida de la fricción interna, similar al "espesor" de un fluido. Pero a pequeña escala, La viscosidad puede evitar que el movimiento recíproco se traduzca en movimiento hacia adelante. Para microorganismos y micro nadadores artificiales, en cambio, un movimiento similar a un sacacorchos de movimiento no recíproco empuja con éxito el medio fluido hacia atrás, y así simultáneamente el nadador hacia adelante.

Para el nadador artificial en su estudio, Han y sus colegas optaron por algo relativamente grande y, por lo tanto, fácil de observar, a saber, una esfera de plástico de unos seis milímetros de ancho. Luego, los investigadores pegaron suturas quirúrgicas de nailon para que sirvieran como filamentos en forma de cola. El medio fluido en el experimento también demostró ser igualmente de baja tecnología. Para ver si el método teorizado de rotación de Quincke funcionaría en la vida real, los investigadores tuvieron que identificar un aceite con las propiedades eléctricas adecuadas y que coincidiera con la densidad del nadador. El cumplimiento de estos criterios implicó pasar por un período de prueba y error con varios aceites de cocina y otros aceites vegetales comprados en la tienda que se utilizan en la fabricación. Por último, los investigadores encontraron una mezcla de mitad aceite de oliva y mitad aceite de ricino.

Dentro de este medio, los experimentos mostraron que un nadador con dos colas traducía la rotación en movimiento mejor que un nadador de una sola cola. Variando la intensidad del campo eléctrico y el ángulo entre las dos colas, los investigadores finalmente demostraron tres tipos distintos de movimiento. Dos de los movimientos funcionaron de manera similar al cabeceo y balanceo del avión volando, con el primero apareciendo cuando las colas sobresalen a ambos lados de la esfera giratoria, y el último como las colas apuntan detrás de la esfera mientras gira. El tercer movimiento fue auto-oscilatorio, es decir, la esfera giró en una dirección, luego regresa por el otro lado, y de regreso, repetidamente, aunque la fuente de energía, el campo eléctrico, fue constante y sin ninguna oscilación.

En general, los múltiples tipos de movimientos obtenidos sorprendieron a los investigadores e insinuaron los niveles de control dinámico que podrían lograrse.

"A medida que avanzaba nuestro experimento, encontramos fenómenos aún más ricos de lo que esperábamos, ", dijo Han." Descubrimos que este sistema podría no solo ser una nueva forma de hacer que las cosas se muevan, sino también que podamos controlar eficazmente el movimiento del nadador, lo que lo hace mucho más útil ".

Eric Lauga, que no participó en la investigación, comentó sobre los avances que representa el estudio para el campo de la natación artificial. "Es un campo impulsado principalmente por la teoría, por lo que siempre es un gran paso adelante cuando se realizan nadadores artificiales en el laboratorio, "dijo Lauga, profesor de matemáticas aplicadas en la Universidad de Cambridge. "Hay un número limitado de [nadadores] que se han fabricado y cuantificado de una manera que se comprende completamente, así que siempre es emocionante cuando eso sucede ".

Han y Stone agregaron que la simplicidad de su sistema de nadador artificial significa que se puede escalar fácilmente hacia arriba o hacia abajo. Reducir la escala a dispositivos muy pequeños podría conducir a usos industriales en medios y entornos aceitosos, por ejemplo. Una perspectiva a más corto plazo para la investigación es utilizar el sistema para explorar más a fondo un medio novedoso de generar movimiento. Por lo tanto, los investigadores querrán estudiar más a fondo la física de los nadadores individuales. Escalando a grupos de nadadores, mientras tanto, podría proporcionar información sobre cómo se desplazan los grupos de bacterias, así como los comportamientos de enjambre exhibidos por bacterias u organismos más grandes.

"Estamos empezando a ver cuáles son las posibilidades con este tipo de nadador artificial, ", dijo Han." Esperamos obtener más información y darnos cuenta de su utilidad potencial ".

Joshua Shaevitz, profesor de física y del Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa en Princeton, también es coautor del estudio.