Muoversi all'interno di supporti granulari come la sabbia è un trucco che si verifica non solo nei film di fantascienza. La lucertola pesce sabbia, che vive nel deserto, è anche in grado di svolgere questo compito. Per farlo, questa lucertola si comporta come un pesce e ondeggia il suo corpo per raggiungere una velocità massima di due lunghezze del corpo al secondo.

È stato dimostrato che la propulsione delle lucertole sandfish deriva dal fatto che la resistenza nella sabbia è maggiore per un movimento in una direzione perpendicolare al corpo che per un movimento in una direzione longitudinale. Tale proprietà è chiamata attrito anisotropo.

Lontano da deserti e media granulari, altri organismi utilizzano tali proprietà anisotrope del mezzo per propellersi. È il caso dei microrganismi nei fluidi viscosi. come nella sabbia, i loro corpi sperimentano una resistenza per lunghezza del corpo che è maggiore per un movimento perpendicolare che per uno longitudinale. Questo spiega perché molti batteri ondeggiano la coda per spingersi in fluidi viscosi come i pesci di sabbia nella sabbia.

Però, battere una coda non è l'unico modo di locomozione impiegato dai batteri per muoversi in un fluido viscoso. Per esempio, E. coli usa la rotazione di una coda elicoidale per lo stesso scopo.

Tale osservazione ha suscitato la curiosità di un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università di Santiago in Cile. Francesco Melo, chi guida la squadra, si chiese:"La rotazione elicoidale induce la propulsione in un mezzo granulare come in un fluido viscoso?"

Per rispondere alla domanda, Alejandro Ibarra, un dottorato di ricerca studente coinvolto in questo progetto, immaginato un esperimento per studiare il moto orizzontale di un'elica che ruota in un mezzo granulare. I ricercatori hanno posizionato un'elica in una vasca di grani e l'hanno collegata a un motore esterno tramite una piccola asta che passa attraverso la parete della vasca. Il motore è stato posizionato su un palco lineare per consentirne il movimento orizzontale. Questa configurazione consente la rotazione dell'elica liberandone il movimento orizzontale.

"Abbiamo osservato che quando l'elica era sufficientemente profonda nel mezzo granulare, la sua rotazione ha portato ad un movimento propulsivo lungo l'asse orizzontale, " disse Baptiste Darbois Texier, assegnista di ricerca presso il Dipartimento di Fisica.

Con questa configurazione, i ricercatori hanno studiato la velocità dell'elica in funzione della sua velocità di rotazione, la sua profondità nella vasca granulare e il carico esterno applicato al sistema. Inoltre, hanno fabbricato eliche di diverse geometrie e le hanno testate nel pool granulare. In parallelo, hanno sviluppato un modello teorico per descrivere l'attrito anisotropo sperimentato dall'elica basato su un coefficiente di attrito longitudinale e trasversale. Il modello cattura le loro osservazioni sperimentali e prevede il design ottimale dell'elica per spingere in un mezzo granulare.

Finalmente, il team ha sviluppato un robot proof-of-concept basato sulla propulsione elicoidale che opera in materiale granulare. La testa del robot contiene una piccola batteria e un minuscolo motore che assicura la rotazione della coda elicoidale. Il design include anche quattro pallet per evitare la rotazione della testa piuttosto che della coda. Il robot si è dimostrato molto robusto nella spinta attraverso diversi tipi di grani. Poiché l'azionamento di questo robot di sabbia si basa su un semplice motore, è molto più facile da implementare rispetto a quelli che riproducono il moto ondulatorio delle lucertole sandfish. Così, questo studio apre la strada a un nuovo tipo di robot che opera in mezzi eterogenei come la sabbia o la neve asciutta.