Observación de un movimiento de deslizamiento hacia atrás de rodillos sobre superficies en un fluido viscoelástico

Por qué las ruedas que ruedan a veces pueden deslizar hacia atrás

Estamos acostumbrados a la idea de que las ruedas y los rodillos avanzan cuando giran, desde troncos de la Edad de Piedra bajo rocas pesadas hasta automóviles modernos y diminutos robots médicos. Este estudio revela un giro sorprendente: cuando rodillos muy pequeños se mueven sobre una superficie dentro de ciertos líquidos elásticos y gelificados, pueden deslizarse hacia atrás incluso mientras rotan en la dirección “adelante”. Comprender este efecto contraintuitivo podría ayudar a ingenieros a diseñar nuevos tipos de máquinas microscópicas que viajen por moco, sangre y otros fluidos complejos del cuerpo.

Movimiento extraño en líquidos elásticos

Los investigadores estudiaron esferas magnéticas de tamaños que van desde unos pocos micrómetros (más pequeñas que un glóbulo rojo) hasta unos pocos milímetros. Estas esferas descansaban cerca de una superficie sólida y se hacían girar mediante un campo magnético rotatorio, imitando cómo se impulsan muchos micronadadores artificiales en el laboratorio. En agua corriente, las esferas se comportaron como se esperaba: rodaban hacia adelante a lo largo de la superficie. Pero en varios líquidos viscoelásticos —incluidas soluciones de polímeros de cadenas largas, una mezcla especial de jabón e incluso clara de huevo—, el mismo giro hizo que las esferas derivaran hacia atrás. Este deslizamiento hacia atrás apareció para muchos tamaños de esfera, formas y condiciones de superficie, lo que muestra que es un fenómeno robusto y general.

Cómo el fluido circundante tira desde atrás

Para entender qué provoca esta inversión, los autores combinaron experimentos con simulaciones por ordenador del flujo del líquido. Los fluidos viscoelásticos se comportan en parte como líquidos y en parte como bandas de goma estiradas, porque contienen moléculas largas que pueden deformarse con el movimiento. Cuando una esfera gira cerca de una pared en tal fluido, el flujo a su alrededor no es simétrico de delante hacia atrás. Las simulaciones mostraron líneas de flujo más densas y polímeros más fuertemente estirados en el lado de la esfera que enfrenta al flujo entrante que en el lado de sotavento. Estas regiones estiradas actúan como muchas pequeñas bandas elásticas que tiran de la esfera desde atrás. Si este tirón elástico hacia atrás se vuelve más fuerte que la fricción habitual hacia adelante por el contacto rodante, el resultado neto es el movimiento en la dirección inversa.

De inversiones suaves a efectos dependientes de la velocidad

Para rodillos microscópicos en soluciones poliméricas diluidas, los investigadores encontraron una relación simple, casi lineal, entre la velocidad de giro y la velocidad de deslizamiento hacia atrás. Aumentar la concentración de polímero redujo gradualmente el rodamiento hacia adelante habitual, detuvo el movimiento en una concentración crítica y luego produjo un deslizamiento hacia atrás cada vez más pronunciado. Las esferas más grandes necesitaron concentraciones de polímero más altas antes de que apareciera la inversión, porque su mayor contacto con la superficie incrementa la fricción ordinaria. Para rodillos de escala milimétrica en soluciones más concentradas y fuertemente no newtonianas, el comportamiento se volvió más rico: la dirección y la intensidad del movimiento dependían no solo de la concentración sino también de la velocidad de rotación de las esferas. Cuando los datos se analizaron usando una medida adimensional llamada número de Weissenberg —que compara los efectos elásticos con los viscosos—, los resultados de muchas condiciones colapsaron en una sola curva, mostrando que el movimiento hacia atrás emerge una vez que las fuerzas elásticas dominan sobre la resistencia viscosa y la fricción de contacto.

Atracción oculta y diminutos engranajes magnéticos

El mismo flujo asimétrico que tira de las esferas hacia atrás también las empuja hacia las superficies cercanas. Experimentos mostraron que rodadores de tamaño micrométrico podían adherirse y desplazarse por techos y paredes verticales dentro del fluido, mantenidos en su lugar por esta “succión” viscoelástica. El equipo aprovechó entonces este efecto para construir un sencillo sistema de engranajes a microescala. Una pequeña esfera magnética se hacía girar cerca de una esfera mayor no magnética. El flujo hacía que las dos esferas se pegaran, y la fricción entre ellas transfería la rotación, provocando que la esfera mayor describiera un círculo. Al cambiar la velocidad y la trayectoria de la esfera magnética, los investigadores pudieron guiar a la mayor a lo largo de trayectorias controladas en espiral y en zigzag, sugiriendo maneras de mover pequeñas cargas sin agarrarlas directamente.

Qué significa esto para pequeños robots en fluidos reales

En términos cotidianos, este trabajo muestra que en líquidos complejos y elásticos, empujar con más fuerza en una dirección a veces puede hacerte derivar en la contraria, porque el medio mismo almacena y redirige energía mecánica. Para futuros microrobots médicos diseñados para viajar por fluidos corporales viscoelásticos, los diseñadores deberán tener en cuenta este deslizamiento hacia atrás e incluso podrán aprovecharlo para nuevas formas de movimiento y transporte de carga. Más ampliamente, el estudio pone de relieve cómo añadir elasticidad a un fluido puede invertir nuestras expectativas intuitivas sobre el movimiento de objetos sencillos, abriendo vías para el control inteligente de máquinas microscópicas en entornos realistas.

Cita: 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

Palabras clave: fluidos viscoelásticos, micronadadores, deslizamiento hacia atrás, soluciones poliméricas, materia activa