一項新的研究表明，人類精子和單細胞藻類通過其鞭毛狀的尾巴在粘稠液體中穿行，似乎違背了牛頓第三運動定律。京都大學的數學科學家Kenta Ishimoto和他的同事調查了這些非對稱相互作用，以便弄清楚它們是如何在理論上會阻止其運動的物質中蠕動的。
當牛頓於1686年構思了他現在著名的運動定律時，他試圖用幾個簡潔的原則來解釋物理對象與作用於其上的力之間的關係，事實證明，這些原則並不適用於在粘稠液體中蠕動的微小細胞。
牛頓第三定律的簡單概括是「每個行動都有一個相等和相反的反應」。它標誌着自然界中的一種特定對稱性，即相反的力相互作用。在最簡單的例子中，兩個大小相等的彈珠在它們沿地面滾動時相撞，會根據這個定律轉移它們的力並反彈。
然而，自然是混亂的，不是所有的物理系統都受這些對稱性的限制。所謂的非對稱相互作用出現在由成群的鳥類、流體中的粒子和游泳精子組成的混亂系統中。
這些有動力的生物以一種顯示出與它們身後的動物或其周圍的液體不對稱相互作用的方式移動，從而為平等和相反的力繞開牛頓第三定律提供了漏洞。
由於鳥類和細胞產生了自己的能量，每次拍打它們的翅膀或擺動它們的尾巴時，都會將這種能量添加到系統中，因此系統被推離平衡狀態，同樣的規則不適用。
Ishimoto和他的同事們分析了關於人類精子的實驗數據，並對綠藻(Chlamydomonas)的運動進行了建模。兩者都使用細長的、可彎曲的鞭毛從細胞體中伸出，並改變形狀或變形來推動細胞前進。
高粘度流體通常會耗散鞭毛的能量，阻止精子或單細胞藻類運動。然而不知何故，這些彈性鞭毛可以在不引起周圍環境反應的情況下推動這些細胞。
研究人員發現，精子尾巴和藻類鞭毛具有「奇怪的彈性」，這使得這些柔軟的附屬物可以在周圍液體中自由擺動而不損失太多能量。
但是這種奇怪的彈性屬性並不能完全解釋鞭毛波動運動的推進。因此，通過他們的建模研究，研究人員還得出了一個新的術語——奇異彈性模量，來描述鞭毛的內部力學特性。
研究人員總結道：「從可以解決簡單的模型到研究Chlamydomonas和精子細胞的生物鞭毛波形，我們研究了奇異彎曲模量，以破譯材料內部的非局部、非對稱相互作用。」
研究結果可以幫助設計小型自組裝機械人來模仿活體材料，同時建模方法也可以用來更好地理解集體行為的基本原理，研究團隊補充道。
