Του Francois Barthelat

Η μεγάλη ιδέα

Οι τμηματοποιημένοι μεντεσέδες στα μακριά, λεπτά οστά των πτερυγίων ψαριών είναι κρίσιμο για τις απίστευτες μηχανικές ιδιότητες των πτερυγίων, και αυτός ο σχεδιασμός θα μπορούσε να εμπνεύσει βελτιωμένα συστήματα υποβρύχιας πρόωσης, νέα ρομποτικά υλικά και ακόμη και νέα σχέδια αεροσκαφών.

Τα πτερύγια των ψαριών δεν είναι απλές μεμβράνες που τα ψάρια αναδιπλώνουν δεξιά και αριστερά για πρόωση. Μάλλον αντιπροσωπεύουν ένα από τα οι πιο κομψοί τρόποι αλληλεπίδρασης με το νερό. Τα πτερύγια είναι αρκετά εύκαμπτα ώστε να μεταμορφώνονται σε μια μεγάλη ποικιλία σχημάτων, ωστόσο είναι αρκετά σκληρά ώστε να σπρώχνουν το νερό χωρίς να καταρρέουν.

Το μυστικό βρίσκεται στη δομή: Τα περισσότερα ψάρια έχουν ακτίνες – μακριές, οστεώδεις ακίδες που σκληραίνουν τις λεπτές μεμβράνες κολλαγόνου που αποτελούν τα πτερύγια τους. Κάθε μία από αυτές τις ακτίνες αποτελείται από δύο άκαμπτες σειρές μικρών οστικών τμημάτων που περιβάλλουν ένα μαλακότερο εσωτερικό στρώμα. Οι βιολόγοι γνωρίζουν από καιρό ότι τα ψάρια μπορούν αλλάζουν το σχήμα των πτερυγίων τους χρησιμοποιώντας μύες και τένοντες που σπρώχνουν ή τραβούν τη βάση κάθε ακτίνας, αλλά πολύ λίγη έρευνα έχει γίνει ειδικά για τα μηχανικά οφέλη της τμηματοποιημένης δομής.

Ένα pufferfish χρησιμοποιεί τα μικρά αλλά αποτελεσματικά πτερύγια του για να κολυμπήσει ενάντια σε ένα ισχυρό ρεύμα και να ελιχθεί μέσα του.

Για να μελετήσουμε τις μηχανικές ιδιότητες των τμηματοποιημένων ακτίνων, οι συνάδελφοί μου και εγώ χρησιμοποιήσαμε θεωρητικά μοντέλα και πτερύγια εκτυπωμένα σε 3D για να συγκρίνουμε τμηματικές ακτίνες με ακτίνες κατασκευασμένες από ένα μη τμηματοποιημένο εύκαμπτο υλικό.

Δείξαμε ότι τα πολυάριθμα μικρά, οστέινα τμήματα λειτουργούν ως σημεία άρθρωσης, καθιστώντας εύκολη την κάμψη των δύο οστέινων σειρών στην ακτίνα από τη μία πλευρά στην άλλη. Αυτή η ευελιξία επιτρέπει στους μύες και τους τένοντες στη βάση των ακτίνων να μορφοποιούν ένα πτερύγιο χρησιμοποιώντας ελάχιστες ποσότητες δύναμης. Εν τω μεταξύ, ο σχεδιασμός της άρθρωσης καθιστά δύσκολη την παραμόρφωση της ακτίνας σε όλο το μήκος της. Αυτό αποτρέπει την κατάρρευση των πτερυγίων όταν υποβάλλονται στην πίεση του νερού κατά τη διάρκεια της κολύμβησης. Στις τρισδιάστατες εκτυπωμένες ακτίνες μας, τα τμηματικά σχέδια ήταν τέσσερις φορές πιο εύκολο να μεταμορφωθούν από τα συνεχή σχέδια, διατηρώντας την ίδια ακαμψία.

Γιατί έχει σημασία

Τα υλικά μορφοποίησης – υλικά των οποίων το σχήμα μπορεί να αλλάξει – διατίθενται σε δύο ποικιλίες. Μερικά είναι πολύ ευέλικτα – όπως υδρογέλες – αλλά αυτά τα υλικά καταρρέουν εύκολα όταν τα υποβάλλετε σε εξωτερικές δυνάμεις. Τα υλικά μορφοποίησης μπορεί επίσης να είναι πολύ άκαμπτα – όπως μερικά σύνθετα υλικά αεροδιαστημικής – αλλά χρειάζεται πολλή δύναμη για να γίνουν μικρές αλλαγές στο σχήμα τους.

Ο σχεδιασμός τμηματικής δομής των πτερυγίων ψαριών ξεπερνά αυτή τη λειτουργική αντιστάθμιση καθώς είναι εξαιρετικά ευέλικτο καθώς και ισχυρό. Τα υλικά που βασίζονται σε αυτό το σχέδιο θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην υποβρύχια πρόωση και να βελτιώσουν την ευελιξία και την ταχύτητα του υποβρύχια εμπνευσμένα από ψάρια. Θα μπορούσαν επίσης να είναι απίστευτα πολύτιμες μαλακή ρομποτική και επιτρέπουν στα εργαλεία να αλλάζουν σε μια μεγάλη ποικιλία σχημάτων, ενώ παράλληλα μπορούν να πιάνουν αντικείμενα με πολλή δύναμη. Τα τμηματικά σχέδια ακτίνων θα μπορούσαν ακόμη και να ωφελήσουν το αεροδιαστημικό πεδίο. Μορφοποίηση φτερών που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τη γεωμετρία τους, αλλά να μεταφέρει μεγάλες αεροδυναμικές δυνάμεις, θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο τα αεροσκάφη απογειώνονται, ελιγμούς και προσγειώνονται.

Τι ακόμα δεν είναι γνωστό

Ενώ αυτή η έρευνα εξηγεί πολύ τον τρόπο λειτουργίας των πτερυγίων των ψαριών, η μηχανική που παίζει όταν τα πτερύγια των ψαριών λυγίζουν μακριά από τις κανονικές τους θέσεις είναι ακόμα λίγο μυστήριο. Το κολλαγόνο τείνει να γίνεται πιο άκαμπτο τόσο πιο παραμορφωμένο γίνεται, και οι συνάδελφοί μου και εγώ υποψιαζόμαστε ότι αυτή η σκληρυντική απόκριση – μαζί με τον τρόπο με τον οποίο προσανατολίζονται οι ίνες κολλαγόνου μέσα στα πτερύγια των ψαριών – βελτιώνει τη μηχανική απόδοση των πτερυγίων όταν είναι έντονα παραμορφωμένα.

Τι έπεται

Με γοητεύει η εμβιομηχανική των φυσικών πτερυγίων ψαριών, αλλά ο απώτερος στόχος μου είναι να αναπτύξτε νέα υλικά και συσκευές που εμπνέονται από τις μηχανικές τους ιδιότητες. Οι συνάδελφοί μου και εγώ αναπτύσσουμε επί του παρόντος υλικά απόδειξης της ιδέας που ελπίζουμε ότι θα πείσουν ένα ευρύτερο φάσμα μηχανικών στον ακαδημαϊκό και τον ιδιωτικό τομέα ότι τα σχέδια εμπνευσμένα από πτερύγια ψαριών μπορούν να προσφέρουν βελτιωμένη απόδοση για μια ποικιλία εφαρμογών.

Ο Francois Barthelat δεν εργάζεται, δεν συμβουλεύεται, δεν κατέχει μετοχές ή δεν λαμβάνει χρηματοδότηση από οποιαδήποτε εταιρεία ή οργανισμό που θα επωφεληθεί από αυτό το άρθρο και δεν έχει αποκαλύψει σχετικές σχέσεις πέρα ​​από τον ακαδημαϊκό διορισμό τους.

Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε στο Η συζήτηση.

ετικέτες: βιο-εμπνευσμένο, γ-Έρευνα-Καινοτομία