I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno studiato come i micronuotatori, come batteri o sperma, nuotare attraverso fluidi con proprietà sia solide che liquide, per esempio., gel. Hanno scoperto che sottili cambiamenti nelle caratteristiche di un nuotatore, la sua struttura, e come si muove invocano una risposta drammaticamente diversa dal fluido. Hanno anche scoperto che la somiglianza nelle dimensioni tra la struttura del fluido e il nuotatore ha portato a una vasta gamma di comportamenti interessanti.

Il nuoto è un affare complicato per il microrganismo. Un tuffo in piscina potrebbe non sembrare così difficile, ma a scala microscopica, o a bassi numeri di Reynolds, l'effetto della viscosità del fluido impone severi vincoli al nuoto. Ancora, la natura lo raggiunge; i micronuotatori svolgono ruoli vitali in una vasta gamma di fenomeni, compresa la motilità degli spermatozoi e il movimento attivo dei batteri.

Per capire i nuotatori, studi precedenti si sono concentrati su modelli minimi di comportamento del nuotatore in fluidi uniformi. Un modello particolarmente apprezzato è il cosiddetto "micro nuotatore a tre sfere, " una stringa di tre sfere microscopiche attaccate l'una all'altra da braccia; la stringa può essere azionata pompando le braccia avanti e indietro in un liquido. Questa semplice sequenza supera i limiti del teorema della "capesante" di Purcell, che dice quel movimento che sembra lo stesso quando suonato all'indietro (simmetria di inversione del tempo), come una capesante che si apre e si chiude, non può essere utilizzato per la locomozione.

Ma per quanto riguarda il fluido? Nel caso di spermatozoi che viaggiano attraverso il muco cervicale per raggiungere le uova nella riproduzione dei mammiferi, il muco è un esempio di materia molle, dove la struttura interna, in questo caso fatta di zuccheri e proteine, risponde in modo complesso al movimento del nuotatore. Per affrontare questo problema, un team composto da Kento Yasuda e dal Professore Associato Shigeyuki Komura della Tokyo Metropolitan University e Ryuichi Okamoto, un docente presso l'Università di Okayama, ha studiato come si comportano i micronuotatori a tre sfere in un fluido strutturato, un gel polimerico, ad es. gelatina.

La loro analisi ha rivelato che c'erano sostanzialmente due meccanismi per ottenere il movimento, uno rompendo la simmetria di inversione del tempo, l'altro modulando le ampiezze nel battito delle due braccia del nuotatore. Con quest'ultimo, si è scoperto che il nuoto poteva essere raggiunto senza rompere la precedente simmetria, una scappatoia nel teorema di capesante. Attraverso un'analisi più dettagliata, sono riusciti a derivare espressioni per come la velocità del nuotatore fosse correlata a come un fluido strutturato resiste al movimento di un nuotatore. interessante, hanno scoperto che quando i nuotatori erano più grandi della dimensione delle maglie del gel, c'era una maggiore resistenza con il battito più veloce, una conclusione un po' controintuitiva.

Questo lavoro segna progressi significativi nell'avvicinare un popolare modello di nuotatore minimo ai casi sperimentalmente rilevanti, compreso il battito dei peli ("ciglia") sulle cellule e la motilità dei batteri. Può anche vedere l'applicazione a scenari più esotici, per esempio. la locomozione dei robot attraverso i detriti dopo le frane. Lo studio è stato pubblicato online sulla rivista Lettere di Eurofisica .