ملاحظة حركة انزلاق إلى الخلف لأسطوانات على أسطح في سائل لزج مرن

لماذا قد تنزلق العجلات المدحرجة أحيانًا إلى الخلف

نحن معتادون على فكرة أن العجلات والأسطوانات تتحرك للأمام عندما تدور — من جذوع العصر الحجري تحت الصخور الثقيلة إلى السيارات الحديثة والروبوتات الطبية الصغيرة. تكشف هذه الدراسة عن لمسة مفاجئة: عندما تتحرك أسطوانات صغيرة جدًا على سطح داخل سوائل مرنة ومطاطية إلى حد ما، فقد تنزلق إلى الخلف رغم دورانها في الاتجاه «الأمامي». فهم هذا التأثير غير البديهي قد يساعد المهندسين على تصميم أنواع جديدة من الآلات المجهرية التي تسبح خلال المخاط والدم وسوائل معقدة أخرى داخل الجسم.

حركة غريبة في سوائل مطاطية

درس الباحثون كرات مغناطيسية بأحجام تتراوح من عدة ميكرومترات (أصغر من خلية الدم الحمراء) وحتى عدة ملليمترات. جلست هذه الكرات قرب سطح صلب وتم تدويرها بواسطة مجال مغناطيسي دوار، مقلدةً الطريقة التي تُدار بها العديد من المجاهر الاصطناعية في المختبر. في الماء العادي، تصرفت الكرات كما هو متوقع: دحرجت للأمام على السطح. لكن في عدة سوائل لزجة مرنة — بما في ذلك محاليل لسلاسل بوليمرية طويلة، ومزيج صابوني خاص، وحتى بياض البيض — أدت نفس عملية الدوران إلى انجراف الكرات نحو الخلف بدلاً من ذلك. ظهر هذا الانزلاق إلى الخلف لأحجام وأشكال وظروف سطحية متعددة، مما يدل على أنه ظاهرة قوية وعامة.

كيف يسحب السائل المحيط من الخلف

لفهم ما يسبب هذا الانعكاس، جمع المؤلفون بين تجارب ومحاكاة حاسوبية لتدفق السائل. تتصرف السوائل اللزجة المرنة جزئياً كسوائل وجزئياً كشرائط مطاطية مشدودة، لأنها تحتوي على جزيئات طويلة يمكن سحبها وتشويهها بفعل الحركة. عندما تدور كرة بالقرب من جدار في مثل هذا السائل، لا يكون التدفق حولها متماثلاً من الأمام إلى الخلف. أظهرت المحاكاة خطوط تدفق مضغوطة أكثر وبوليمرات مشدودة أقوى على جانب الكرة المواجه لتدفق الوارد من الأمام مقارنةً بالجانب الخلفي. تعمل هذه المناطق المشدودة مثل العديد من الشرائط المطاطية الصغيرة التي تجذب الكرة من الخلف. إذا أصبح هذا السحب المرن الخلفي أقوى من الاحتكاك الأمامي العادي الناتج عن الاتصال أثناء الدحرجة، فإن النتيجة الصافية تكون حركة في الاتجاه المعاكس.

من الانعكاسات السلسة إلى التأثيرات المعتمدة على السرعة

لأسطوانات مجهرية في محاليل بوليمر مخففة، وجد الباحثون رابطًا بسيطًا يكاد يكون خطيًا بين معدل الدوران وسرعة الانزلاق إلى الخلف. أدى زيادة تركيز البوليمر تدريجيًا إلى تقليل الدحرجة الأمامية المعتادة، وجعل الحركة تتوقف عند تركيز حرج، ثم أنتج انزلاقًا خلفيًا أقوى باستمرار. احتاجت الكرات الأكبر إلى تركيزات بوليمر أعلى قبل ظهور الانعكاس، لأن تماسها الأكبر مع السطح يزيد الاحتكاك العادي. بالنسبة للأسطوانات على مقياس المليمتر في محاليل أكثر تركيزًا وشديدة اللزوجة غير النيوتونية، أصبح السلوك أكثر ثراءً: اتجاه وقوة الحركة لم يعتمدا على التركيز فقط، بل أيضًا على سرعة دوران الكرات. عند تحليل البيانات باستخدام مقياس بلا أبعاد يُسمى رقم فايسنبرغ — الذي يقارن القوى المرنة بالتأثيرات اللزجة — تلاقت النتائج لظروف متعددة على منحنى واحد، مما يدل على أن الحركة الخلفية تظهر بمجرد سيطرة القوى المرنة على مقاومة اللزوجة واحتكاك الاتصال.

جاذبية خفية وتروس مغناطيسية صغيرة

نفس التدفق غير المتماثل الذي يسحب الكرات إلى الخلف يضغط عليها أيضًا نحو الأسطح القريبة. أظهرت التجارب أن الأسطوانات الصغيرة على مقياس الميكرومتر يمكن أن تلتصق بالسقوف والجدران الرأسية وتتحرك عليها داخل السائل، محتفظةً بموقعها بواسطة هذا «الشفط» اللزج المرن. ثم استغل الفريق هذا التأثير لبناء نظام تروس بسيط على مقياس الميكرو. دُورِسَت كرة مغناطيسية صغيرة بالقرب من كرة أكبر غير مغناطيسية. جعل التدفق الكرتين تلتصقان ببعضهما، ونقل الاحتكاك بينهما الدوران، مما تسبب في دوران الكرة الأكبر حول محورها. بتغيير سرعة ومسار دوران الكرة المغناطيسية، تمكن الباحثون من توجيه الأكبر على مسارات تحكمية مثل اللولب والزجزاج، مما يلمح إلى طرق لتحريك حمولات صغيرة دون الإمساك بها مباشرة.

ماذا يعني هذا للروبوتات الصغيرة في السوائل الحقيقية

بعبارات مبسطة، يظهر هذا العمل أنه في السوائل المعقدة والمرنة، قد يدفعك الدفع الأقوى في اتجاه ما أحيانًا إلى الانجراف في الاتجاه المعاكس، لأن الوسط نفسه يخزن ويعيد توجيه الطاقة الميكانيكية. بالنسبة لروبوتات ميكروية طبية مستقبلية مصممة للسفر عبر سوائل جسم مرنة، سيحتاج المصممون لأخذ هذا الانزلاق الخلفي في الحسبان وقد يستفيدون منه لصور جديدة من الحركة ونقل الحمولات. وعلى نطاق أوسع، تبرز الدراسة كيف أن إضافة المرونة إلى سائل يمكن أن تقلب توقعاتنا البديهية حول حركة أجسام بسيطة، فاتحةً آفاقًا للتحكم الذكي بالآلات المجهرية في بيئات واقعية.

الاستشهاد: He, C., Qiao, Y., Cao, Y. et al. Observation of a backward sliding motion for rollers on surfaces in viscoelastic fluid. Nat Commun 17, 2781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69523-9

الكلمات المفتاحية: السوائل اللزجة المرنة, المجاهر الميكروية, الانزلاق إلى الخلف, محاليل البوليمر, المادة النشطة