Наблюдение обратного скольжения роликов по поверхностям в вязкоупругой жидкости

Почему колёса, которые катаются, иногда скользят назад

Мы привыкли к тому, что колёса и ролики при вращении двигаются вперёд — от бревён в каменном веке под тяжёлыми камнями до современных автомобилей и крошечных медицинских роботов. Это исследование выявляет неожиданный поворот: когда очень маленькие ролики движутся по поверхности внутри некоторых эластичных, желеподобных жидкостей, они могут скользить назад, даже вращаясь в «вперед» направленном смысле. Понимание этого контринтуитивного эффекта может помочь инженерам разработать новые типы микромашин, способных передвигаться в слизи, крови и других сложных жидкостях организма.

Странное движение в эластичных жидкостях

Исследователи изучали магнитные сферы размером от нескольких микрометров (меньше эритроцита) до нескольких миллиметров. Эти сферы находились рядом с твёрдой поверхностью и приводились во вращение вращающимся магнитным полем, имитируя способ управления многими искусственными микропловцами в лаборатории. В обычной воде сферы вели себя как ожидалось: они катились вперёд по поверхности. Но в нескольких вязкоупругих жидкостях — включая растворы длинных полимеров, специальную мыльную смесь и даже яичный белок — то же вращение вызывало дрейф сфер назад. Это обратное скольжение наблюдалось для многих размеров сфер, форм и условий поверхности, что показывает: явление устойчиво и универсально.

Как окружающая жидкость тянет сзади

Чтобы понять причину этого обращения, авторы сочетали эксперименты с компьютерными моделями течения жидкости. Вязкоупругие жидкости ведут себя отчасти как жидкости и отчасти как растянутые резинки, потому что содержат длинные молекулы, которые могут деформироваться потоками. Когда сфера вращается близко к стенке в такой жидкости, поток вокруг неё не симметричен спереди и сзади. Моделирование показало более плотные линии тока и сильнее растянутые полимеры на стороне сферы, обращённой к встречному потоку, чем на подветренной стороне. Эти растянутые области действуют как множество крошечных резинок, тянущих сферу сзади. Если это обратное упругое притяжение становится сильнее обычного вперёд направленного трения при качении, суммарным результатом становится движение в обратном направлении.

От плавных обращений до зависимых от скорости эффектов

Для микросфер в разбавленных полимерных растворах исследователи выявили простую, почти линейную зависимость между скоростью вращения и скоростью обратного скольжения. Увеличение концентрации полимера постепенно уменьшало обычное вперёдное качение, доводило движение до остановки при критической концентрации, а затем приводило к всё более интенсивному обратному скольжению. Большим сферам требовались более высокие концентрации полимера, прежде чем происходил разворот, потому что их большая контактная область с поверхностью усиливает обычное трение. Для роликов миллиметрового размера в более концентрированных, сильно неньютоновских растворах поведение становилось богаче: направление и сила движения зависели не только от концентрации, но и от скорости вращения сфер. Когда данные анализировали с использованием безразмерного числа Вайссензекера — которое сравнивает упругие и вязкие эффекты — результаты для многих условий складывались на одну кривую, показывая, что обратное движение возникает, когда упругие силы преобладают над вязким сопротивлением и контактным трением.

Скрытое притяжение и крошечные магнитные шестерни

Та же асимметрия потока, которая тянет сферы назад, также прижимает их к близлежащим поверхностям. Эксперименты показали, что ролики микрометрового размера могут цепляться и перемещаться по потолкам и вертикальным стенкам внутри жидкости, удерживаемые этим вязкоупругим «всасыванием». Команда затем использовала этот эффект для создания простой микро-шестерёнчатой системы. Небольшую магнитную сферу вращали рядом с большей немагнитной сферой. Поток заставлял две сферы притягиваться друг к другу, а трение между ними передавало вращение, заставляя большую сферу двигаться по круговой траектории. Меняя скорость и путь вращения магнитной сферы, исследователи могли направлять большую по контролируемым спиралевидным и зигзагообразным траекториям, предлагая способы перемещения крошечного груза без прямого захвата.

Что это значит для крошечных роботов в реальных жидкостях

Проще говоря, эта работа показывает: в сложных эластичных жидкостях сильнее толкнув в одном направлении, иногда можно дрейфовать в противоположную сторону, потому что само окружение накапливает и перенаправляет механическую энергию. Для будущих медицинских микророботов, рассчитанных на движение по вязкоупругим биологическим жидкостям, конструкторам придётся учитывать это обратное скольжение и, возможно, использовать его для новых способов передвижения и транспортировки грузов. В более широком смысле исследование подчёркивает, как добавление упругости в жидкость может перевернуть интуитивные ожидания о том, как движутся простые объекты, открывая пути для интеллектуального управления микромашинами в реалистичных средах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: вязкоупругие жидкости, микропловцы, обратное скольжение, растворы полимеров, активная материя