Être étrange peut être une bonne chose, en particulier lorsque vous êtes un organisme cellulaire microscopique essayant de se déplacer.
La natation est peut-être la première forme de motilité apparue sur Terre. Le fait de nager pour de minuscules animaux n’est cependant pas forcément facile. Les macronageurs tels que les pétoncles ont même un théorème nommé d’après eux qui interdit la nage réciproque à l’échelle microscopique.
En d’autres termes, la théorie dit que les pétoncles microscopiques ne devraient pas du tout pouvoir nager. Ici, les pétoncles sont utilisés comme analogie pour aider à décrire un objet à charnière unique.
Les chercheurs de KyotoU ont maintenant découvert une nouvelle formule pour la natation basée sur leur étude de l’élasticité impaire ou du comportement non alternatif des micronageurs. Les scientifiques ont commencé leur étude en exécutant des modèles informatiques de nageurs.
« Notre premier modèle a nagé de manière inattendue et avec de belles nages auto-générées », explique l’auteur Clément Moreau.
Les microrobots font la une des journaux pour leur capacité à administrer des médicaments en toute sécurité ou à effectuer des interventions chirurgicales non intrusives. Mais alors que ceux-ci se déplacent selon des instructions préprogrammées, les micronageurs de Moreau et de son équipe sont autonomes. Leur technologie sous-jacente est basée sur une élasticité impaire, qui présente des auto-oscillations de matériaux actifs.
Étude théorique des ondes auto-oscillantes d’un filament à élasticité impaire nageant de manière auto-organisée. Crédit : KyotoU/Kenta Ishimoto
Des scientifiques de l’Université de Kyoto issus d’horizons variés ont imaginé ensemble un modèle simple de matériaux autopropulsés. À l’aide de simulations informatiques combinant la dynamique des fluides, les mathématiques et la physique statistique, le comportement de micro-natation a été observé pour démontrer un mouvement directionnel et déterministe autonome par un filament à élasticité impaire.
L’équipe a utilisé le modèle de nageur de Purcell, considéré comme un modèle minimal de micro-natation à deux degrés de liberté, pour étudier l’efficacité, la stabilité, le contrôle et d’autres aspects des nageurs biologiques et des robots artificiels. Ce modèle à trois maillons se compose de trois tiges élancées de longueurs spécifiques reliées par deux charnières.
De plus, les chercheurs ont trouvé une nouvelle formule mathématique de nage, démontrant que tout micromatériau élastique étrange peut générer spontanément une locomotion dans un fluide, créant un mouvement directionnel à partir de fluctuations aléatoires.
Le prochain objectif de l’équipe est d’estimer quantitativement la valeur de l’élasticité impaire des matériaux actifs réels, y compris les cellules biologiques, les enzymes chimiquement actives et les microrobots synthétiques.
« Nous pensons que nos recherches sur l’élasticité impaire contribuent à relier les descriptions classiques des micronageurs automatisés à notre nouveau modèle de mouvement autonome », conclut Moreau.
La recherche a été publiée dans Examen physique E.
Kenta Ishimoto et al, Natation auto-organisée avec une élasticité étrange, Examen physique E (2022). DOI : 10.1103/PhysRevE.105.064603