I ricercatori di Princeton hanno presentato un nuovo modo di generare e potenzialmente controllare la locomozione in piccoli oggetti chiamati nuotatori artificiali. Questi nuotatori hanno suscitato un notevole interesse per le loro potenziali applicazioni in medicina, industria e altri settori.

Di forma sferica e con due code, i nuotatori di Princeton, come molti altri micronuotatori artificiali, prendono spunto dai batteri, che si basano su appendici simili a fruste chiamate flagelli e ciglia per guidare se stessi attraverso i fluidi. Ad oggi, gli scienziati hanno provato tutti i tipi di impulsi per indurre il movimento del nuotatore dalla coda, compreso il suono, luce e campi magnetici. I nuotatori di Princeton, però, passare in modo innovativo dall'esposizione a un campo elettrico, sfruttando un mezzo per creare movimento, noto come rotazione di Quincke, mai dimostrato prima nel regno del nuoto artificiale.

"Abbiamo trovato qualcosa di nuovo nella fisica per la generazione della locomozione nei sistemi di nuotatori artificiali, " disse Endao Han, membro del Center for the Physics of Biological Function dell'Università di Princeton e autore principale di uno studio che descrive i risultati pubblicati online nel numero del 20 luglio del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Ciò che Endao e i nostri colleghi hanno dimostrato in questo studio è una fisica meravigliosa che combina intuizioni provenienti da molti campi diversi, ", ha affermato l'autore senior dello studio Howard Stone, il Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professore di ingegneria meccanica e aerospaziale all'Università di Princeton.

Il nuovo studio si basa sul lavoro teorico condotto dal coautore Lailai Zhu, un ex postdoc nel laboratorio di Stone a Princeton e ora alla National University of Singapore. Negli studi pubblicati nel 2019 e nel 2020, Zhu ha simulato in un programma per computer che nuotatori artificiali sferici con code elastiche dovrebbero muoversi attraverso un mezzo, guidato dalla rotazione di Quincke. Questa rotazione può verificarsi quando i materiali isolanti sono immersi in un liquido debolmente conduttivo ed esposti a un campo elettrico. Il campo elettrico, sebbene esso stesso stabile e costante, tuttavia crea un'instabilità che si manifesta come una forza di torsione, facendo ruotare il materiale, solitamente a forma di sfera, all'interno del fluido. Quando una o più code vengono posizionate sulla sfera rotante, le code possono piegarsi nelle forme elicoidali comunemente utilizzate dai batteri per generare la spinta.

Questo tipo di movimento, noto come moto non reciproco, è necessario per i microrganismi e altre piccole cose, naturale o artificiale, viaggiare attraverso i fluidi. A misura d'uomo, moto reciproco fondamentale, "come il movimento avanti e indietro di un remo di barca, " disse Pietra, vince l'inerzia e la viscosità dell'acqua. La viscosità è la misura dell'attrito interno, simile allo "spessore" di un fluido. Ma su piccola scala, la viscosità può impedire che il movimento reciproco si traduca in un movimento in avanti. Per microrganismi e micro nuotatori artificiali, invece un movimento simile a un cavatappi di movimento non reciproco spinge con successo il mezzo fluido all'indietro, e quindi contemporaneamente il nuotatore in avanti.

Per il nuotatore artificiale nel loro studio, Han e colleghi hanno scelto qualcosa di relativamente grande e quindi facile da osservare, vale a dire, una sfera di plastica di circa sei millimetri di diametro. I ricercatori hanno quindi incollato suture chirurgiche in nylon per fungere da filamenti simili a una coda. Anche il mezzo fluido nell'esperimento si è dimostrato a bassa tecnologia. Per vedere se il metodo di rotazione di Quincke teorizzato funzionerebbe nella vita reale, i ricercatori hanno dovuto identificare un olio con le giuste proprietà elettriche e corrispondente alla densità del nuotatore. Soddisfare questi criteri ha comportato un periodo di prove ed errori con vari oli da cucina acquistati in negozio e altri oli vegetali utilizzati nella produzione. In definitiva, i ricercatori hanno trovato una miscela di metà olio d'oliva e metà olio di ricino.

All'interno di questo mezzo, gli esperimenti hanno mostrato che un nuotatore con due code traduceva la rotazione in movimento meglio di un nuotatore con una coda. Variando l'intensità del campo elettrico e l'angolo tra le due code, i ricercatori hanno infine dimostrato tre distinti tipi di movimento. Due dei movimenti funzionavano in modo simile al beccheggio e al rollio di un aeroplano in volo, con il primo che appare mentre le code sporgono da entrambi i lati della sfera rotante, e quest'ultimo come le code puntano dietro la sfera mentre gira. Il terzo movimento era auto-oscillatorio, nel senso che la sfera ruotava da una parte, poi torna dall'altra parte, e ritorno di nuovo, ripetutamente, anche se la fonte di alimentazione, il campo elettrico, era costante e senza oscillazioni.

Globale, i molteplici tipi di movimenti ottenuti hanno sorpreso i ricercatori e hanno suggerito i livelli di controllo dinamico che potrebbero essere raggiunti.

"Mentre il nostro esperimento andava avanti, abbiamo trovato fenomeni ancora più ricchi di quanto ci aspettassimo, " ha detto Han. "Abbiamo scoperto che questo sistema potrebbe non essere solo un nuovo modo per far muovere le cose, ma anche che potremmo essere in grado di controllare efficacemente il movimento del nuotatore, che lo rende molto più utile."

Eric Lauga, chi non è stato coinvolto nella ricerca, ha commentato i progressi che lo studio rappresenta per il campo del nuoto artificiale. "È un campo guidato principalmente dalla teoria, quindi è sempre un grande balzo in avanti quando i nuotatori artificiali vengono realizzati in laboratorio, " disse Lauga, professore di matematica applicata all'Università di Cambridge. "Ci sono solo così tanti [nuotatori] che sono stati fabbricati e quantificati in un modo che sia pienamente compreso, quindi è sempre emozionante quando ciò accade."

Han e Stone hanno aggiunto che la semplicità del loro sistema di nuoto artificiale significa che può essere facilmente ridimensionato. Il ridimensionamento a dispositivi molto piccoli potrebbe potenzialmente portare a usi industriali in mezzi e ambienti oleosi, ad esempio. Una prospettiva a più breve termine per la ricerca è quella di utilizzare il sistema per esplorare ulteriormente un nuovo mezzo per generare movimento. I ricercatori vorranno quindi approfondire lo studio della fisica dei singoli nuotatori. Scalare fino a gruppi di nuotatori, nel frattempo, potrebbe fornire approfondimenti su come i gruppi di batteri si muovono, così come i comportamenti di sciamatura esibiti da batteri o organismi più grandi.

"Stiamo appena iniziando a vedere quali sono le possibilità con questo tipo di nuotatore artificiale, " ha detto Han. "Non vediamo l'ora di acquisire ulteriori informazioni e di realizzare la sua potenziale utilità".

Joshua Shaevitz, un professore di fisica e il Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics a Princeton, è anche coautore dello studio.