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

De forma esfanãrica e com duas caudas, os nadadores de Princeton - como muitos outros micro-nadadores artificiais - seguem a deixa das bactanãrias, que dependem de apaªndices semelhantes a chicotes chamados flagelos e ca­lios para se dirigirem atravanãs dos fluidos. Atéo momento, os cientistas tentaram todos os tipos de a­mpetos para induzir o movimento do nadador com cauda, ​​incluindo som, luz e campos magnanãticos. Os nadadores de Princeton, no entanto, inovam com a exposição a um campo elanãtrico, aproveitando um meio de criar movimento - conhecido como rotação Quincke - nunca demonstrado antes no reino da natação artificial.

"Encontramos algo que énovo na física para a geração de locomoção em sistemas de nadadores artificiais", disse Endao Han, pesquisador do Centro de Fa­sica da Função Biola³gica da Universidade de Princeton e principal autor de um estudo que descreve as descobertas publicadas online em 20 de julho. edição dos Proceedings of the National Academy of Sciences .

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

O novo estudo baseia-se no trabalho tea³rico liderado pelo coautor Lailai Zhu, um ex-pa³s-doutorado no laboratório de Stone em Princeton e agora na Universidade Nacional de Cingapura. Em estudos publicados em 2019 e 2020, Zhu simulou em um programa de computador que nadadores artificiais esfanãricos com cauda ela¡stica deveriam se mover por um meio, impulsionados pela rotação de Quincke. Essa rotação pode ocorrer quando os materiais isolantes são submersos em um la­quido fracamente condutivo e expostos a um campo elanãtrico. O campo elanãtrico, embora seja constante e esta¡vel, 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 girata³ria, as caudas podem se dobrar em formas helicoidais comumente usadas pelas bactanãrias para gerar impulso.

Esse tipo de movimento, conhecido como movimento não reca­proco, énecessa¡rio para que os microorganismos e outras coisas minaºsculas, naturais ou artificiais, viajem atravanãs dos fluidos. Em escalas humanas, o movimento reca­proco ba¡sico, "como o movimento de vaivanãm de um remo de barco", disse Stone, supera a inanãrcia e a viscosidade da a¡gua. A viscosidade éa medida da fricção interna, semelhante a  "espessura" de um fluido. Mas, em escalas pequenas, a viscosidade pode impedir que o movimento reca­proco se traduza em movimento para a frente. Para microrganismos e micro-nadadores artificiais, em vez disso, um movimento semelhante a um saca-rolhas de movimento não reca­proco empurra com sucesso o meio fluido para trás e, assim, simultaneamente, o nadador para a frente.

Para o nadador artificial em seu estudo, Han e seus colegas escolheram algo relativamente grande e, portanto, fa¡cil de observar - a saber, uma esfera de pla¡stico com cerca de seis mila­metros de dia¢metro. Os pesquisadores então colaram suturas cirúrgicas de na¡ilon para servir como filamentos semelhantes a cauda. O meio fluido no experimento também provou ser de baixa tecnologia. Para ver se o manãtodo de rotação de Quincke teorizado funcionaria na vida real, os pesquisadores tiveram que identificar um a³leo com as propriedades elanãtricas corretas e combinando com a densidade do nadador. Atender a esses critanãrios envolveu passar por um período de tentativa e erro com vários a³leos de cozinha comprados em lojas e outros a³leos vegetais usados ​​na fabricação. No final das contas, os pesquisadores encontraram uma mistura de metade azeite e metade a³leo de ra­cino.

Nesse meio, os experimentos mostraram que um nadador com duas caudas traduzia a rotação em movimento melhor do que um nadador com uma cauda. Variando a intensidade do campo elanãtrico e o a¢ngulo entre as duas caudas, os pesquisadores demonstraram três tipos distintos de movimento. Dois dos movimentos funcionaram de forma semelhante a  inclinação e ao giro do avia£o voando, com o primeiro aparecendo como as caudas se projetando para os dois lados da esfera girata³ria, e o último como as caudas apontando para trás da esfera enquanto ela gira. O terceiro movimento era auto-oscilata³rio, o que significa que a esfera girava para um lado, depois voltava para o outro e voltava, repetidamente, embora a fonte de energia, o campo elanãtrico , fosse constante e sem qualquer oscilação.

No geral, os vários tipos de movimentos obtidos surpreenderam os pesquisadores e indicaram os na­veis de controle dina¢mico que poderiam ser alcana§ados.

"Conforme nosso experimento prosseguia, encontramos fena´menos ainda mais ricos do que espera¡vamos", disse Han. "Descobrimos que esse sistema pode ser não apenas uma nova maneira de fazer as coisas se moverem, mas também que podemos controlar efetivamente o movimento do nadador, o que o torna muito mais útil."

Eric Lauga, que não participou da pesquisa, comentou sobre os avanços que o estudo representa para o campo da natação artificial. "a‰ um campo impulsionado principalmente pela teoria, então ésempre um grande salto a  frente quando nadadores artificiais são realizados no laboratório", disse Lauga, professor de matemática aplicada da Universidade de Cambridge. "Existem apenas alguns [nadadores] que foram fabricados e quantificados de uma forma que seja totalmente compreendida, por isso ésempre 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 éusar o sistema para explorar ainda mais um novo meio de geração de movimento. Os pesquisadores, portanto, desejara£o estudar mais a física de nadadores individuais. Aumentar a escala para grupos de nadadores, entretanto, pode fornecer informações sobre como grupos de bactanãrias se locomovem, bem como os comportamentos de enxame exibidos por bactanãrias ou organismos maiores.

"Estamos apenas comea§ando a ver quais são as possibilidades desse tipo de nadador artificial ", disse Han. "Estamos ansiosos para obter mais informações e perceber sua utilidade potencial."

Joshua Shaevitz, professor de física e do Instituto Lewis-Sigler de Gena´mica Integrativa em Princeton, também écoautor do estudo.