Veículo aquático sem motor desafia dinâmica dos fluidos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/08/2021

O microveículo é impulsionado pela ação de um campo magnético externo e da tensão superficial da água.
[Imagem: M. Hubert et al. - 10.1103/PhysRevLett.126.224501]

Teorema da vieira

Uma equipe de várias universidades alemãs desenvolveu um microveículo aquático que parece desafiar as leis da dinâmica dos fluidos.

O veículo, que consiste em duas esferas conectadas por uma mola, é impulsionado por oscilações completamente simétricas - só que o teorema da vieira afirma que isso não pode ser alcançado em microssistemas de fluidos.

As vieiras, que são moluscos bivalves, nadam abrindo e fechando rapidamente suas conchas, como se estivessem batendo palmas. Elas são grandes o suficiente para serem capazes de se mover para a frente por meio do momento de inércia enquanto a vieira está abrindo sua concha para o próximo golpe.

No entanto, o teorema da vieira se aplica mais ou menos dependendo da densidade e da viscosidade do fluido: Um nadador humano que faça movimentos simétricos ou recíprocos para frente ou para trás, semelhantes à abertura e fechamento da concha da vieira, não se moverá um centímetro.

"Nadar na água é tão difícil para os organismos microscópicos quanto nadar no piche seria para os humanos. É por isso que os organismos unicelulares têm meios de propulsão comparativamente complexos, como pêlos vibratórios ou flagelos rotacionais," explicou o professor Maxime Hubert, da Universidade Friedrich-Alexander.

Só que a equipe de Hubert conseguiu construir veículos pequenos que conseguem se mover na água usando apenas movimentos simétricos.

Submarino sem motor

A equipe desenvolveu um dispositivo nadador que não parece estar limitado pelo teorema da vieira. O modelo mais simples consiste em uma mola linear conectando duas esferas de tamanhos diferentes. Embora a mola se expanda e se contraia simetricamente em pulsos compassados no tempo, o micronadador ainda é capaz de se mover através do fluido.

"Nós primeiro testamos esse princípio usando simulações de computador. Em seguida, construímos um modelo funcional," explicou Hubert.

No experimento prático, a equipe colocou duas esferas de aço, medindo apenas algumas centenas de micrômetros de diâmetro, na superfície da água contida em uma placa de Petri. A tensão superficial da água representava a contração da mola, enquanto a expansão na direção oposta era obtida com um campo magnético que fazia com que as microesferas se repelissem periodicamente.

O pequeno veículo é capaz de se propelir porque as esferas são de tamanhos diferentes. "A esfera menor reage muito mais rápido à força da mola do que a esfera maior. Isso causa um movimento assimétrico e a esfera maior é puxada junto com a esfera menor. Estamos portanto usando o princípio da inércia, com a diferença de que aqui nos preocupamos com a interação entre os corpos, ao invés de nos preocuparmos com a interação entre os corpos e a água," explicou Hubert.

Viagem Fantástica

Embora esse novo veículo sem motor não vá ganhar nenhum prêmio por velocidade - ele avança cerca de um milésimo do próprio comprimento durante cada ciclo de oscilação - a simplicidade de sua construção e do seu mecanismo de funcionamento é um desenvolvimento importante, afirma a equipe.

"O princípio que nós descobrimos pode nos ajudar a construir pequenos robôs nadadores," disse Hubert. "Um dia eles poderão ser usados para transportar medicamentos através do sangue para um local preciso [no corpo]."

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