Modellare la struttura e il movimento nei fluidi
Flagelli e ciglia sono organelli brevi e flessibili che consentono il movimento attraverso una periodica deformazione strutturale per generare forze propulsive nei fluidi. Il progetto FLAGELLA ("Fluid mechanics of flagellar propulsion"), finanziato dall'UE, ha illustrato le complesse interazioni fluido-struttura nei sistemi biologici utilizzando un approccio multidisciplinare. I ricercatori hanno lavorato allo sviluppo di modelli che rappresentano la propulsione flagellare, il nuoto ondulatorio e le architetture ad albero. I ricercatori del progetto FLAGELLA hanno sviluppato un modello teorico per la propulsione flagellare supponendo che i flagelli, come i muscoli, non traggano energia dai fluidi circostanti. Questo ha consentito loro di calcolare forme e cinematiche ottimali senza utilizzare vincoli artificiali. Gli scienziati hanno sviluppato un modello analitico continuo per rappresentare l'architettura dello scheletro ad albero utilizzando una struttura autosimile per rappresentare la resistenza ai carichi indotti dal vento. Le strutture autosimili sono quelle in cui le proporzioni di una struttura hanno subito modifiche più piccole, ma proporzionate (come quelle, ad esempio, che si osservano nei rami degli alberi di piccole o grandi dimensioni). Le simulazioni numeriche hanno confermato la solidità di questo modello. È stato sviluppato un algoritmo evolutivo per rappresentare il nuoto ondulatorio e valutarne gli effetti sulla forma degli organismi. Il moto ondulatorio è un movimento ritmico a onda del corpo osservato nella maggior parte dei vertebrati acquatici. Tale moto è particolarmente importante per la creazione di microrobot in grado di muoversi in vari ambienti viscoelastici presenti nel corpo umano. I ricercatori hanno studiato il collegamento tra la forma e i vincoli idrodinamici valutando il design ottimale per i nuotatori ondulatori. I movimenti sono stati rappresentati utilizzando leggi arbitrarie sulla curvatura periodica confrontando i risultati numerici per gli animali con una diversa sezione trasversale ellittica. I fattori considerati sono stati velocità di nuoto superiori, costi energetici inferiori ed eventuali compromessi tra i due. Gli animali caratterizzati da un moto ondulatorio sono stati confrontati con nuotatori economici ottenuti numericamente e con nuotatori veloci. È interessante notare che i risultati hanno suggerito come l'evoluzione favorisca costi energetici inferiori. I modelli sviluppati nel corso di questo progetto dovrebbero produrre un impatto significativo sulla competitività europea con applicazioni ad ampio raggio nel campo della salute e delle nanoscienze. Alcune importanti applicazioni riguardano le infezioni batteriche, la motilità dello sperma e la progettazione di microrobot per eseguire interventi di chirurgia minimamente invasivi o la somministrazione mirata di farmaci.
