Des chercheurs de Princeton ont lancé une nouvelle façon de générer et potentiellement de contrôler la locomotion dans de minuscules objets appelés nageurs artificiels. Ces nageurs ont suscité un intérêt considérable pour leurs applications potentielles en médecine, l'industrie et d'autres secteurs.

De forme sphérique et arborant deux queues, les nageurs de Princeton, comme beaucoup d'autres micronageurs artificiels, s'inspirent des bactéries, qui s'appuient sur des appendices en forme de fouet appelés flagelles et cils pour se déplacer dans les fluides. À ce jour, les scientifiques ont essayé toutes sortes d'impulsions pour induire le mouvement du nageur à queue, y compris le son, champs lumineux et magnétiques. Les nageurs de Princeton, cependant, de manière innovante, se lancent dans l'exposition à un champ électrique, tirer parti d'un moyen de créer un mouvement, connu sous le nom de rotation de Quincke, jamais démontré auparavant dans le domaine de la natation artificielle.

"Nous avons trouvé quelque chose de nouveau en physique pour la génération de locomotion dans les systèmes de nageurs artificiels, " dit Endao Han, membre du Center for the Physics of Biological Function de l'Université de Princeton et auteur principal d'une étude décrivant les résultats publiés en ligne dans le numéro du 20 juillet de la Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Ce qu'Endao et nos collègues ont démontré dans cette étude, c'est une belle physique qui combine les connaissances de nombreux domaines différents, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Howard Stone, le professeur Donald R. Dixon '69 et Elizabeth W. Dixon de génie mécanique et aérospatial à l'Université de Princeton.

La nouvelle étude s'appuie sur les travaux théoriques menés par le coauteur Lailai Zhu, un ancien post-doctorant dans le laboratoire de Stone à Princeton et maintenant à l'Université nationale de Singapour. Dans des études publiées en 2019 et 2020, Zhu a simulé dans un programme informatique que des nageurs artificiels sphériques avec des queues élastiques devaient se déplacer dans un milieu, entraîné par la rotation de Quincke. Cette rotation peut se produire lorsque des matériaux isolants sont immergés dans un liquide faiblement conducteur et exposés à un champ électrique. Le champ électrique, bien que lui-même stable et constant, crée néanmoins une instabilité qui se manifeste par une force de torsion, provoquant la rotation du matériau, généralement en forme de sphère, dans le fluide. Lorsqu'une ou plusieurs queues sont placées sur la sphère en rotation, les queues peuvent se plier dans les formes hélicoïdales couramment utilisées par les bactéries pour générer une poussée.

Ce genre de mouvement, connu sous le nom de mouvement non réciproque, est nécessaire pour les micro-organismes et autres petites choses, naturel ou artificiel, voyager à travers les fluides. A échelle humaine, mouvement réciproque de base, "comme le mouvement de va-et-vient d'une rame de bateau, " dit Pierre, surmonte l'inertie et la viscosité de l'eau. La viscosité est la mesure du frottement interne, s'apparente à "l'épaisseur" d'un fluide. Mais à petite échelle, la viscosité peut empêcher le mouvement réciproque de se traduire en mouvement vers l'avant. Pour les micro-organismes et les micro-nageurs artificiels, au lieu de cela, un mouvement de type tire-bouchon de mouvement non réciproque pousse avec succès le milieu fluide vers l'arrière, et donc simultanément le nageur vers l'avant.

Pour le nageur artificiel dans leur étude, Han et ses collègues sont allés avec quelque chose de relativement gros et donc facile à observer, à savoir, une sphère en plastique d'environ six millimètres de diamètre. Les chercheurs ont ensuite collé des sutures chirurgicales en nylon pour servir de filaments en forme de queue. Le milieu fluide utilisé dans l'expérience s'est également révélé de faible technologie. Pour voir si la méthode de rotation théorisée de Quincke fonctionnerait dans la vraie vie, les chercheurs ont dû identifier une huile avec les bonnes propriétés électriques et correspondant à la densité du nageur. Répondre à ces critères impliquait de passer par une période d'essais et d'erreurs avec diverses huiles de cuisson et autres huiles végétales achetées en magasin utilisées dans la fabrication. Finalement, les chercheurs ont découvert un mélange moitié huile d'olive et moitié huile de ricin.