競泳選手のマイケル フェルプスのビデオを逆再生すると、彼のストロークが前後に大きく異なることがすぐにわかります。このような時間の非対称性は、大多数の動物の水泳運動の典型であり、バクテリアやその他の微生物にとって絶対に不可欠です。しかし今、物理学者のチームは、ストロークが時間的に対称であるにもかかわらず、少しずつ進むことができる小さな機械式スイマーを開発しました.この結果は、流体力学の新しい概念の道筋を開き、薬物送達やその他の目的のための小さな水泳ロボットを開発する取り組みに役立つ可能性があります.
「これは重要な前進であり、非常にクリーンでエレガントな方法で行われています」と、マックス プランク ダイナミクスおよび自己組織化研究所の生体物理学者であるラミン ゴレスタニアン氏は述べています。彼は新しい研究には関与していません。
順方向でも逆方向でも、同じように見えるサイクルで開閉する貝殻を想像してみてください。貝殻は、閉じて水を排出するときに前方に押し出されますが、再び開いて水を吸い込むと、同じ距離だけ後方に引っ張られます。または、40 年前のホタテの定理は、時間的に対称な動き、または相互的な動きを循環するスイマーはどこにも行かないことを述べています.
厳密に言えば、このルールは、周囲の液体が非常に濃く、水泳選手が水を押すのを止めるとすぐに動きが止まる場合にのみ適用されます。十分に強いハマグリは、殻を閉じて、その後ろに流れ続ける流れを作り、開いても前進し続けることができます. (人間の水泳選手は、同様の「慣性」の流れに依存しています。)しかし、微視的なスケールでは、水でさえ湿ったコンクリートのように振る舞い、そのような長引く流れを減衰させ、対称的なストロークで水泳者を停止させます。そのため、バクテリアはコルクせん抜き型のべん毛を回転させるなど、より複雑な方法で自らを推進します。
ホタテの定理に導かれて、物理学者は最も単純な機械式水泳選手を考案しようとしてきました。 2008 年、Golestanian と同僚は、理論的には、2 つのスプリングで接続された 3 つの同じビーズで構成されるギズモが泳ぐことができることを示しました。内側のビードがそこにある間、外側のビードはわずかにずれて内外に振動します。これにより、動きが時間的に非対称になり、スイマーはそのサイクルで先行しているビーズの方向に少しずつ進みます.
今回、エアランゲン ニュルンベルクのフリードリッヒ アレクサンダー大学 (FAU) の生物物理学者である Maxime Hubert とその同僚は、往復運動しかできないほど単純なスイマーを開発しました。これは、2 つのビーズを接続する単一のスプリングで構成されており、基本的な物理学により、同期して対称的に出入りする必要があります。ホタテの定理はそのようなスイマーを除外しているように見えますが、それでも動く、と研究者は Physical Review Letters に印刷された論文で報告しています .
物事を進めるために、研究者は流体ではなくビーズ自体の慣性に依存していました。ビーズが十分に大きく、十分に重い場合、ビーズはしばらくの間液体を通過します。ビードが大きいほど、惰性で走る時間が長くなり、逆に、どんな押し込みに対しても反応が遅くなります。したがって、新しいスイマーは、1 つの大きなビーズと 1 つの小さなビーズで構成されます。スプリングが伸びると、小さなビードはより速く反応しますが、より速く減速し、大きなビードを繰り返し発射して引きずるアンカーのように機能します、とヒューバートは説明します.
コンピューター シミュレーションで理論を確認した後、研究者は実験でそのケースを確定しました。彼らは、表面張力を利用して、ペトリ皿の水面に直径数百マイクロメートルの一対のミスマッチなスチール ビーズを吊るしました。表面張力がビーズを引き寄せる傾向がありました。同時に、磁場がビーズを磁化して互いに反発させ、あたかもバネでつながっているかのように、一定の距離を保ちます。磁場の方向を小刻みに動かすと、ビーズが出入りしました。そして、ペアは小さなビーズの方向に泳ぎ、1 サイクルあたり体長の約 1000 分の 1 でした。
前進はホタテの定理を沈めますか？そうではない、とGolestanianは言う。ビーズだけの動きは時間的に対称ですが、水に対する動きは対称ではありません。その全体的な動きのために、小さなビードは、大きなビードが後方に移動し始める前に、表面を横切って前方に飛び出す各サイクルを開始します。動いている歩道を間違った方向に歩いている人のように、静止している水に対して実際に後方に移動する前に、大きなビードが十分な速度を得る必要があります。これにより、水に対するビーズの動きが時間的にわずかに非対称になります。 「物理法則が破られることはありません」と Golestanian は言います。
ノースカロライナ大学チャペルヒル校のソフトマター物理学者である Daphne Klotsa は、次のステップは、ビーズのサイズやその他の変数を変更することによってスイマーを制御する方法を探ることであると述べています。流体内の残存する流れをかき立てることができれば、動くことができます。 「これは非常に単純なシステムですが、これらすべての物理学の層があります」と彼女は言います。 「多くの疑問が生じます。」
共著者のアナ・スンカナ・スミスは、FAU の理論物理学者であり、自然は新たに特定された効果を利用する独自の方法をまだ進化させていないのではないかと考えています。 「私たちは生物学的な例を探していません」と彼女は言いますが、「自然がそれを [サイズ] スケールで使用しなかったとしたら、私は驚くでしょう.」
