Новое исследование, проведенное Университетом Колорадо в Боулдере, раскрыло инженерные секреты того, что делает рыбьи плавники такими прочными, но гибкими. Идеи команды могут в один прекрасный день привести к созданию новых конструкций для роботизированных хирургических инструментов или даже крыльев самолетов, которые изменяют свою форму одним нажатием кнопки.Исследователи опубликовали свои результаты 11 августа в журнале Science Robotics.
Франсуа Бартелат, старший автор исследования, отметил, что плавники примечательны тем, что они могут демонстрировать ловкость, даже если они не содержат ни одной мышцы. (Рыбы перемещают эти структуры, подергивая группы мышц, расположенных у основания плавников).«Если вы посмотрите на плавник, вы увидите, что он состоит из множества жестких« лучей », — сказал Бартелат, профессор факультета машиностроения Пола М. Рэди. «Каждым из этих лучей можно управлять индивидуально, как вашими пальцами, но в каждом плавнике их 20 или 30 штук».В своем последнем исследовании Бартелат и его коллеги использовали ряд подходов, включая компьютерное моделирование и материалы, напечатанные на 3D-принтере, чтобы глубже погрузиться в биомеханику этих гибких структур. Они сообщают, что ключ к созданию плавников может заключаться в их уникальном дизайне.
Каждый луч в плавнике состоит из нескольких сегментов твердого материала, которые складываются поверх гораздо более мягкого коллагена, что делает их идеальным балансом между упругостью и жесткостью.«Вы получаете эту двойную возможность, когда плавники могут трансформироваться, но при этом они все еще довольно жесткие, когда толкают воду», — сказал он.Броня и самолеты
Бартелат не привыкать заглядывать в аквариумы. Ранее он изучал, как рыбная чешуя может помочь инженерам создавать более качественные доспехи для людей и как морские ракушки могут вдохновить на создание более жестких очков.Ласты могут быть не менее полезными. Бартелат объяснил, что когда дело доходит до инженерии, жесткие и гибкие материалы пользуются большим спросом.
Конструкторы самолетов, например, давно интересовались разработкой крыльев, которые могут трансформироваться по команде, давая самолетам больше возможностей для маневрирования, сохраняя при этом их в воздухе.«Самолеты в некоторой степени делают это сейчас, когда опускают закрылки», — сказал Бартелат. «Но это жестко.
Крыло, сделанное из трансформирующихся материалов, напротив, могло бы изменять свою форму более радикально и непрерывно, как птица».Чтобы понять, как обычные золотые рыбки добиваются подобных результатов каждый день, внимательно посмотрите на эти структуры под микроскопом.
Каждый из лучей в плавнике имеет слоистую структуру, немного напоминающую эклер из пекарни: шипы включают два слоя жестких и минерализованных материалов, называемых гемитрихами, которые окружают внутренний слой губчатого коллагена.Но, по словам Бартелата, эти слои гемитрихов не являются прочными. Они разделены на сегменты, как если бы кто-то разрезал эклер на мелкие кусочки.
«До недавнего времени функция этих сегментов не была ясна», — сказал он.Плавание, полет и ходьбаИнженер и его команда решили использовать компьютерное моделирование для изучения механических свойств плавников. Они обнаружили, что эти сегменты могут иметь решающее значение.
На мгновение представьте, — объяснил Бартелат, — что плавники рыб полностью состоят из коллагена. Они могли легко сгибаться, но не давали рыбе особого сцепления с водой, потому что гидродинамические силы разрушили бы их. Лучи, состоящие из твердых, несегментированных полутрихов, напротив, имели бы обратную проблему — они были бы слишком жесткими.
«По сути, все сегменты образуют эти крошечные петли вдоль луча», — сказал Бартелат. «Когда вы пытаетесь сжать или растянуть эти костные слои, они имеют очень высокую жесткость. Это критически важно для того, чтобы луч сопротивлялся и создавал гидродинамические силы, которые давят на воду.
Но если вы попытаетесь согнуть отдельные костные слои, они очень податливая, и эта часть имеет решающее значение для того, чтобы лучи легко деформировались от базовых мышц ".Исследователи дополнительно проверили теорию, используя 3D-принтер для изготовления моделей рыбьих плавников из пластика, некоторые со встроенными петлями, а некоторые без них. Идея сработала: команда обнаружила, что сегментированный дизайн обеспечивает лучшее сочетание жесткости и возможностей морфинга.Бартелат добавил, что он и его коллеги только прикоснулись к огромному разнообразию плавников в мире рыб.
Летучие рыбы, например, раскрывают свои плавники, чтобы скользить над водой, в то время как прыгуны используют свои плавники, как ноги, для ходьбы по суше.«Нам нравится продолжать с того места, где остановились биологи и зоологи, используя наш опыт в механике материалов, чтобы углубить наше понимание удивительных свойств мира природы», — сказал Бартелат.
Соавторами нового исследования являются Флорен Ханнард из Католического университета Лувена в Бельгии, Мохаммад Миркхалаф из Сиднейского университета в Австралии и Абтин Амери из Массачусетского технологического института.