Os pesquisadores de Princeton lançaram uma nova maneira de gerar e potencialmente controlar a locomoção em pequenos objetos chamados nadadores artificiais. Esses nadadores despertaram um interesse considerável por suas aplicações potenciais na medicina, indústria e outros setores.

Esférico em forma e ostentando duas caudas, os nadadores de Princeton - como muitos outros micro-nadadores artificiais - seguem a deixa das bactérias, que dependem de apêndices semelhantes a chicotes chamados flagelos e cílios para se dirigirem através dos fluidos. A data, cientistas tentaram todos os tipos de ímpetos para induzir o movimento do nadador com cauda, incluindo som, campos de luz e magnéticos. Os nadadores de Princeton, Contudo, conseguem inovar com a exposição a um campo elétrico, alavancar um meio de criar movimento - conhecido como rotação Quincke - nunca demonstrado antes no reino da natação artificial.

"Encontramos algo novo na física para a geração de locomoção em sistemas de nadadores artificiais, "disse Endao Han, bolsista do Centro de Física da Função Biológica da Universidade de Princeton e principal autor de um estudo que descreve as descobertas publicadas online na edição de 20 de julho do Proceedings of the National Academy of Sciences .

"O que Endao e nossos colegas demonstraram neste estudo é uma bela física que combina percepções de muitos campos diferentes, "disse o autor sênior do estudo, Howard Stone, o Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial na Universidade de Princeton.

O novo estudo baseia-se no trabalho teórico liderado pela co-autora Lailai Zhu, um ex-pós-doutorado no laboratório de Stone em Princeton e agora na National University of Singapore. Em estudos publicados em 2019 e 2020, Zhu simulou em um programa de computador que nadadores artificiais esféricos com caudas elásticas deveriam se mover através de um meio, impulsionado pela rotação Quincke. Essa rotação pode ocorrer quando os materiais isolantes são submersos em um líquido fracamente condutivo e expostos a um campo elétrico. O campo elétrico, embora seja estável e constante, no entanto, cria uma instabilidade que se manifesta como uma força de torção, fazendo com que o material - geralmente em forma de esfera - gire dentro do fluido. Quando uma cauda ou caudas são colocadas na esfera giratória, as caudas podem dobrar em formas helicoidais comumente usadas pelas bactérias para gerar impulso.

Este tipo de movimento, conhecido como movimento não recíproco, é necessário para microorganismos e outras coisas minúsculas, natural ou artificial, para viajar através de fluidos. Em escalas humanas, movimento recíproco básico, "como o movimento de vaivém de um remo de barco, "disse Stone, supera a inércia e a viscosidade da água. A viscosidade é a medida do atrito interno, semelhante à "espessura" de um fluido. Mas em pequena escala, a viscosidade pode impedir que o movimento recíproco se transforme em movimento para a frente. Para microrganismos e micro-nadadores artificiais, em vez disso, um movimento semelhante a um saca-rolhas de movimento não recíproco empurra com sucesso o meio fluido para trás, e assim, simultaneamente, o nadador avança.

Para o nadador artificial em seu estudo, Han e seus colegas escolheram algo relativamente grande e, portanto, fácil de observar, ou seja, uma esfera de plástico com cerca de seis milímetros de diâmetro. Os pesquisadores então colaram suturas cirúrgicas de náilon para servir como filamentos semelhantes a cauda. O meio fluido no experimento também se mostrou de baixa tecnologia. Para ver se o método de rotação de Quincke teorizado funcionaria na vida real, os pesquisadores tiveram que identificar um óleo com as propriedades elétricas corretas e combinando com a densidade do nadador. Atender a esses critérios envolveu passar por um período de tentativa e erro com vários óleos de cozinha comprados em lojas e outros óleos vegetais usados ​​na fabricação. Em última análise, os pesquisadores encontraram uma mistura de metade azeite e metade óleo de rícino.

Dentro deste meio, os experimentos mostraram que um nadador com duas caudas traduziu a rotação em movimento melhor do que um nadador com uma cauda. Variando a intensidade do campo elétrico e o ângulo entre as duas caudas, os pesquisadores finalmente demonstraram três tipos distintos de movimento. Dois dos movimentos funcionaram de forma semelhante à inclinação e rotação do avião voando, com o primeiro aparecendo quando as caudas se projetam para os lados da esfera giratória, e o último porque as caudas apontam para trás da esfera enquanto ela gira. O terceiro movimento era auto-oscilatório, o que significa que a esfera girou em uma direção, então volte para o outro lado, e de volta, repetidamente, mesmo que a fonte de energia, o campo elétrico, era constante e sem qualquer oscilação.

Geral, os vários tipos de movimentos obtidos surpreenderam os pesquisadores e indicaram os níveis de controle dinâmico que poderiam ser alcançados.

"Conforme nosso experimento prosseguia, encontramos fenômenos ainda mais ricos do que esperávamos, "disse Han." Descobrimos que este sistema pode não ser apenas uma nova maneira de fazer as coisas se moverem, mas também que possamos controlar efetivamente o movimento do nadador, o que o torna muito mais útil. "

Eric Lauga, que não estava envolvido na pesquisa, comentou sobre os avanços que o estudo representa para o campo da natação artificial. "É um campo impulsionado principalmente pela teoria, então é sempre um grande salto quando nadadores artificiais são realizados no laboratório, "disse Lauga, professor de matemática aplicada na Universidade de Cambridge. "Existem apenas alguns [nadadores] que foram fabricados e quantificados de uma forma que seja totalmente compreendida, por isso é sempre emocionante quando isso acontece. "

Han e Stone acrescentaram que a simplicidade de seu sistema de nadador artificial significa que ele pode ser facilmente ampliado ou reduzido. A redução para dispositivos muito pequenos pode levar a usos industriais em meios e ambientes oleosos, por exemplo. Uma perspectiva de curto prazo para a pesquisa é usar o sistema para explorar mais um meio novo de geração de movimento. Os pesquisadores, portanto, desejarão estudar mais a física de nadadores individuais. Aumentando a escala para grupos de nadadores, Enquanto isso, poderia fornecer informações sobre como grupos de bactérias se locomovem, bem como os comportamentos de enxame exibidos por bactérias ou organismos maiores.

"Estamos apenas começando a ver quais são as possibilidades desse tipo de nadador artificial, "disse Han." Esperamos obter mais informações e perceber sua utilidade potencial. "

Joshua Shaevitz, professor de física e do Instituto Lewis-Sigler de Genômica Integrativa em Princeton, também é co-autor do estudo.