Il “nuoto” è probabilmente la prima forma di motilità comparsa sulla Terra. L’atto di nuotare per piccoli animali, tuttavia, non è sempre facile (ne ha parlato anche qui per Maddmaths! Antonio DeSimone). I nuotatori di dimensioni maggiori, come le capesante, hanno persino un teorema che prende il nome da loro: il “teorema della capasanta” di E. M. Purcell afferma che in un fluido newtoniano molto viscoso, un nuotatore che compie un movimento simmetrico rispetto al tempo non può ottenere uno spostamento netto. Un tale nuotatore deforma il suo corpo in una forma particolare attraverso una certa sequenza di movimenti e poi torna alla forma originale compiendo la stessa sequenza al contrario. Questo tipo di moto è noto come “moto reciproco” (ed è invariante rispetto all’inversione temporale). Questo stesso teorema, contemporaneamente, prevede che il nuoto reciproco sia impossibile nelle scale microscopiche, ossia le capesante “microscopiche” non dovrebbero essere in grado di nuotare.

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Kyoto, come sai legge nello studio pubblicato su Physical Review E, ha utilizzato modelli computazionali di nuotatori e ha scoperto una nuova formula basata sullo studio dell’elasticità “antisimmetrica”, ossia sull’analisi del comportamento non reciproco dei micronuotatori. “Il nostro primo modello ha mostrato un nuoto inaspettatamente buono e con bellissimi colpi auto-generati”, spiega uno degli autori, Clément Moreau. Di recente, si stanno studiando microrobot stanno con il potenziale di somministrare farmaci in sicurezza o eseguire interventi chirurgici non invasivi. Tuttavia, mentre questi ultimi si muovono secondo istruzioni pre-programmate, i “micronuotatori” di Moreau e del suo team sono autonomi. La loro tecnologia di base si fonda su una elasticità antisimmetrica, che mostra auto-oscillazioni di materiali attivi.

Utilizzando simulazioni al computer che combinano fluidodinamica, matematica e fisica statistica, i ricercatori hanno elaborato un modello che coinvolge materiali semoventi da cui è emerso un “micronuoto” di uno speciale filamento elastico antisimmetrico con movimento direzionale e deterministico autonomo.
Il team ha utilizzato, per partire, il modello del nuotatore di Purcell, considerato un modello minimo di micronuoto con due gradi di libertà, in modo da studiare l’efficienza, la stabilità, il controllo e altri aspetti dei nuotatori biologici e dei robot artificiali. Questo modello a tre maglie è costituito da tre aste sottili di lunghezze specifiche collegate da due cerniere. Inoltre, i ricercatori hanno elaborato una nuova formula matematica per il nuoto, che dimostra che qualsiasi micromateriale elastico antisimmetrico può generare spontaneamente la locomozione in un fluido, creando movimento direzionale a partire da fluttuazioni casuali.
Il prossimo obiettivo del team è stimare quantitativamente il valore dell’elasticità antisimmetrica dei materiali attivi effettivi, comprese le cellule biologiche, gli enzimi chimicamente attivi e i microrobot sintetici.