Des physiciens découvrent un mécanisme de propulsion simple pour les corps dans des fluides denses –
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Une équipe de chercheurs de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), de l’Université de Liège et du Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy ont développé un micronageur qui semble défier les lois de la dynamique des fluides : leur modèle, composé de deux billes reliées par un ressort linéaire, est propulsé par des oscillations complètement symétriques. Le théorème de la coquille Saint-Jacques indique que cela ne peut pas être réalisé dans les microsystèmes fluides. Les résultats ont été publiés dans la revue académique Lettres d’examen physique.
Les pétoncles peuvent nager dans l’eau en frappant rapidement leurs coquilles ensemble. Ils sont suffisamment grands pour pouvoir encore avancer pendant le moment d’inertie pendant que la coquille Saint-Jacques ouvre sa coquille pour le prochain coup. Cependant, le théorème de la coquille Saint-Jacques s’applique plus ou moins selon la densité et la viscosité du fluide : un nageur qui effectue des mouvements symétriques ou réciproques vers l’avant ou l’arrière similaires à l’ouverture et à la fermeture de la coquille Saint-Jacques ne bougera probablement pas d’un pouce. « Nager dans l’eau est aussi difficile pour les organismes microscopiques que nager dans le goudron le serait pour les humains », explique le Dr Maxime Hubert. “C’est pourquoi les organismes unicellulaires ont des moyens de propulsion relativement complexes tels que des poils vibrants ou des flagelles en rotation.”
Nager à l’échelle méso
Le Dr Hubert est chercheur postdoctoral dans le groupe du professeur Dr Ana-Suncana Smith à l’Institut de physique théorique de la FAU. En collaboration avec des chercheurs de l’Université de Liège et de l’Institut Helmholtz d’Erlangen-Nürnberg pour les énergies renouvelables, l’équipe FAU a développé un nageur qui ne semble pas limité par le théorème de la coquille Saint-Jacques : le modèle simple est constitué d’un ressort linéaire qui relie deux billes de différentes tailles. Bien que le ressort se dilate et se contracte de manière symétrique sous l’inversion du temps, le micronageur est toujours capable de se déplacer dans le fluide.
«Au départ, nous avons testé ce principe à l’aide de simulations informatiques», explique Maxime Hubert. « Nous avons ensuite construit un modèle fonctionnel ». Dans l’expérience pratique, les scientifiques ont placé deux billes d’acier mesurant à peine quelques centaines de micromètres de diamètre à la surface de l’eau contenue dans une boîte de Pétri. La tension superficielle de l’eau représentait la contraction du ressort et l’expansion dans la direction opposée était obtenue avec un champ magnétique qui faisait que les microbilles se repoussaient périodiquement.
Vision : Des robots nageurs pour le transport de drogue
Le nageur est capable de se propulser car les billes sont de tailles différentes. Maxime Hubert déclare : « Le plus petit talon réagit beaucoup plus rapidement à la force du ressort que le plus gros talon. Cela provoque un mouvement asymétrique et le plus gros bourrelet est tiré avec le plus petit bourrelet. Nous utilisons donc le principe d’inertie, à la différence près qu’il s’agit ici de l’interaction entre les corps plutôt que de l’interaction entre les corps et l’eau.
Bien que le système ne remporte aucun prix pour la vitesse – il avance d’environ un millième de la longueur de son corps au cours de chaque cycle d’oscillation – la simplicité de sa construction et de son mécanisme est un développement important. «Le principe que nous avons découvert pourrait nous aider à construire de minuscules robots nageurs», explique Maxime Hubert. “Un jour, ils pourraient être utilisés pour transporter des médicaments dans le sang jusqu’à un endroit précis.”
Source de l’histoire :
Matériaux fourni par Université d’Erlangen-Nuremberg. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
