The main contribution of the present work is the proposition of a framework for analysis of active suspensions using the Caenorhabditis elegans nematode as the living model. To do so, five different perspectives are used: kinematics, macro-reological, numerical, theoretical and micro-reological. First, a theoretical and experimental analysis of the kinematic motion of the nematodes suspended in a biological fluid is presented. Two different populations are examined: starving and well fed nematodes. We show that the relationship between the length of an individual nematode and the wavelength of its movement is linear and can be adjusted by a theoretical prediction proposed in this work. A deep discussion on propulsive mechanics based on a scale analysis that identifies three major forces acting on an individual nematode is made. In addition, we investigated the shear viscosity of Caenorhabditis elegans suspensions. The oscillatory shear experiments revealed an anomalous viscosity behavior with the variation of the volumetric fraction of suspension, ?. The effective viscosity of the suspension decreased with increasing nematode volumetric fraction at low concentrations. Based on the experimental data, a phenomenological equation for the effective viscosity of the suspension as a function of the volumetric fraction of particles is proposed. The collective behavior of the nematodes is also observed in linear regime through the difference of normal stresses. Finally, step strain tests are conducted to obtain the relaxation times. The presence of a negative active stress due to the nematoid driving behavior persists for a period of time, leading to a negative undershoot and an oscillatory behavior in the relaxation function. In order to propose a rheological model, simplifications are made in the model and immersed boundary method simulations are conducted in a flexible filament, varying the type of movement that it performs. It is observed that the presence of asymmetries in its undulating movement generates drastic changes on its kinematic responses. A rheological model as a function of filament orientation is proposed and validated with experimental data in linear regime. After validation of the proposed constitutive equation, the model is observed under the nonlinear regime of oscillatory shear, in which the rheological characterizations are made based on existing frameworks using Lissajous-Bowditch curves and Pipkin diagrams. Finally, a protocol for analysis of suspensions in a microrheometer is presented. Particles are added and tracked as unidirectional oscillatory shear (pulsatile flow) is applied. The velocity and shear rate profiles are obtained, as well as the rheological signals equivalent to the strain rate and stress. Signal analysis tools are used and an artificial intelligence system is proposed to remove the component added to the signal by unidirectional shear, aiming to reconstruct the signal with null temporal average and allowing the application of well known rheological theories, such as the decomposition of stresses in coefficients of Chebyshev, for the calculation of viscommetric quantities of compliances and fluidities. The major contribution of the study concerns the observation, characterization, modeling and simulation of a microsized animal that moves in different fashion, depending on the environment, and the surrounding fluid. The rheological properties analyzed, simuations performed and model proposed can be used for both production of artifitial microorganisms and control of living organisms. Moreover, this combination of analyses and techniques can be used to study any type of passive and active suspension providing new and conclusive results regarding the rheological characterization and the physical behavior of the particles. / A principal contribuição do presente trabalho é a proposição de um framework de análise de suspensões ativas utilizando como modelo vivo o nematoide Caenorhabditis elegans. Para tanto, cinco perspectivas diferentes são utilizadas: cinemática, macrorreológica, numérica, teórica e microrreológica. Primeiramente, uma análise teórica e experimental do movimento cinemático das partículas ativas suspensas em um fluido biológico é apresentada. Duas populações diferentes são examinadas: na ausência de alimento e com nematoides bem alimentados. Mostramos que a relação entre o comprimento de um nematoide individual e o comprimento de onda de seu movimento é linear e pode ser ajustada por uma previsão teórica proposta neste trabalho. Uma profunda discussão sobre a mecânica de propulsão com base em uma análise de escala que identifica três forças principais que atuam em um nematoide individual é feita. Além disso, investigamos a viscosidade de cisalhamento das suspensões de Caenorhabditis elegans. Os experimentos em cisalhamento oscilatório revelaram um comportamento anômalo da viscosidade com a variação da fração volumétrica de suspensão, ?. A viscosidade efetiva da suspensão diminuiu com o aumento da fração volumétrica do nematoide para pequenas concentrações. Baseando-se nos dados experimentais, uma equação fenomenológica para a viscosidade efetiva da suspensão em função da fração volumétrica de partículas é proposta. O comportamento coletivo dos nematoides é também observado, em regime linear, pela diferença de tensões normais. Finalmente, o teste de step strain é conduzido para obter os tempos de relaxação. A presença de uma tensão ativa negativa devido ao comportamento impulsor do nematoide persiste por um certo período, levando a um undershoot negativo e a um comportamento oscilatório na função de relaxação. A fim de propor um modelo reológico, simplificações são efetuadas no modelo e simulações usando o método de fronteira imersa são conduzidas em um filamento flexível, variando o tipo de movimento que este realiza. Observa-se que a presença de assimetrias em seu movimento ondulatório gera drásticas mudanças em suas respostas cinemáticas. Um modelo reológico em função da orientação do filamento é proposto e validado com os dados experimentais em regime linear. Após a validação da equação constitutiva proposta, o modelo é observado sob o regime não-linear do cisalhamento oscilatório, no qual as caracterizações reológicas são feitas com base nos frameworks existentes, utilizando curvas de Lissajous-Bowditch e diagramas de Pipkin. Por fim, é apresentado um protocolo de análise de suspensões em um microrreômetro. Partículas são adicionadas e rastreadas à medida que um cisalhamento unidirecional (escoamento pulsátil) é aplicado. Os perfis de velocidade e taxa de cisalhamento são obtidos, assim como os sinais reológicos equivalentes à taxa de deformação e tensão. Ferramentas de análise de sinais são utilizadas e um sistema de inteligência artificial é proposto para remoção da componente constante do sinal adicionada pelo cisalhamento unidirecional, visando reconstruir o sinal com média temporal nula e possibilitando a aplicação de teorias reológicas já conhecidas, como a decomposição de tensões em coeficientes de Chebyshev para o cálculo das quantidades viscométricas de conformidade e fluidez. A principal contribuição do estudo diz respeito à observação, caracterização, modelagem e simulação de um animal microscópico que se movimenta de maneira diferente dependendo do ambiente e do fluido circundante. As propriedades reológicas analisadas, as simulações realizadas e o modelo proposto podem ser utilizados tanto para a produção de microorganismos artificiais quanto para o controle de organismos vivos. Além disso, essa combinação de análises e técnicas pode ser usada para estudo de qualquer tipo de suspensão ativa e passiva, fornecendo resultados novos e conclusivos em relação à caracterização reológica e ao comportamento físico das partículas.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-16092019-150159 |
| Date | 01 July 2019 |
| Creators | Mauá, Sara Malvar |
| Contributors | Carmo, Bruno Souza, Cunha, Francisco Ricardo da |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
Page generated in 0.0029 seconds