Новое исследование раскрыло инженерные секреты того, что делает плавники рыб такими прочными и в то же время гибкими. Исследование может однажды привести к созданию новых конструкций роботизированных хирургических инструментов или даже крыльев самолета, которые изменяют свою форму одним нажатием кнопки.
Загляните в любой аквариум, и вы увидите, что у домашних золотых рыбок и гуппи проворные плавники. Несколькими взмахами этих отростков аквариумные пловцы могут описывать круги, нырять глубоко вниз или даже выплывать на поверхность.
Новое исследование, проведенное Университетом Колорадо в Боулдере, раскрыло инженерные секреты того, что делает плавники рыб такими прочными и в то же время гибкими. Идеи команды могут однажды привести к созданию новых конструкций роботизированных хирургических инструментов или даже крыльев самолета, 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 замечательны тем, что они могут достигать ловкости, даже если в них нет ни одной мышцы. (Рыбы перемещают эти структуры, подергивая комплектами мышц, расположенных у основания плавников).
"Если вы посмотрите на плавник, вы увидите, что он сделан из множества жестких "лучей"", - сказал Бартелат, профессор кафедры машиностроения Пола М. Рэди. "Каждым из этих лучей можно манипулировать индивидуально, как и вашими пальцами, но в каждом плавнике их 20 или 30".
В своих последних исследованиях Бартелат и его коллеги использовали целый ряд подходов, включая компьютерное моделирование и 3D-печатные материалы, чтобы глубоко погрузиться в биомеханику этих гибких структур. Они сообщают, что ключ к плавникам рыб может заключаться в их уникальном дизайне. Каждый луч в плавнике состоит из нескольких сегментов твердого материала, которые укладываются поверх гораздо более мягкого коллагена, что делает их идеальным балансом между упругостью и жесткостью.
"Вы получаете эту двойную способность, когда плавники могут трансформироваться, и все же они все еще довольно жесткие, когда толкают воду", - сказал он.
Броня и самолеты
Бартелату не привыкать заглядывать в аквариумы. Ранее он изучал, как рыбья чешуя может помочь инженерам разработать лучшие бронежилеты для людей, и как морские раковины могут вдохновить на более жесткие очки.
Плавники могут быть не менее полезны. Когда дело доходит до машиностроения, объяснил Бартелат, материалы, которые являются одновременно жесткими и гибкими, являются популярным товаром. Конструкторы самолетов, например, уже давно заинтересованы в разработке крыльев, которые могут трансформироваться по команде, давая самолетам больше возможностей для маневрирования, сохраняя при этом их в воздухе.
"Самолеты в какой-то степени делают это сейчас, когда опускают закрылки", - сказал Бартелат. "Но это в строгом смысле. Крыло, изготовленное из трансформирующихся материалов, напротив, может изменять свою форму более радикально и непрерывно, как у птицы".
Чтобы понять, как обычные заурядные золотые рыбки каждый день совершают подобные подвиги, внимательно посмотрите на эти структуры под микроскопом. Каждый из лучей в плавнике имеет слоистую структуру, немного похожую на эклер из пекарни: шипы включают два слоя жестких и минерализованных материалов, называемых гемитрихами, которые окружают внутренний слой губчатого коллагена.
Но, сказал Бартелат, эти слои гемитрихов не являются твердыми. Они разделены на сегменты, как будто кто-то разрезал эклер на кусочки размером с укус.
"До недавнего времени функция этих сегментов не была ясна", - сказал он.
Плавание, полеты и прогулки
Инженер и его команда решили использовать компьютерное моделирование для изучения механических свойств ребер. Они обнаружили, что эти сегменты могут иметь решающее значение.
Представьте на мгновение, объяснил Бартелат, что плавники рыб полностью состоят из коллагена. Они могли легко изгибаться, но не давали рыбе большой тяги в воде, потому что гидродинамические силы разрушили бы их. Лучи, состоящие из сплошных, несегментированных гемитрихов, напротив, имели бы противоположную проблему-они были бы слишком жесткими.
"Все сегменты, по сути, создают эти крошечные петли вдоль луча", - сказал Бартелат. "Когда вы пытаетесь сжать или натянуть эти костные слои, они имеют очень высокую жесткость. Это имеет решающее значение для того, чтобы луч сопротивлялся и создавал гидродинамические силы, которые давят на воду. Но если вы попытаетесь согнуть отдельные костные слои, они будут очень податливы, и эта часть имеет решающее значение для того, чтобы лучи легко деформировались от мышц основания".
Исследователи дополнительно проверили теорию, используя 3D-принтер для изготовления моделей рыбьих плавников из пластика, некоторые со встроенными шарнирами, а некоторые без них. Идея удалась: команда обнаружила, что сегментированный дизайн обеспечивает лучшее сочетание жесткости и возможностей преобразования.
Бартелат добавил, что он и его коллеги только поцарапали поверхность широкого разнообразия плавников в мире рыб. Летучие рыбы, например, разворачивают свои плавники, чтобы скользить над водой, в то время как прыгуны с грязи используют свои плавники, как ноги, чтобы ходить по суше.
"Нам нравится продолжать с того места, на котором остановились биологи и зоологи, используя наши знания в области механики материалов для дальнейшего понимания удивительных свойств природного мира", - сказал Бартелат.
Соавторами нового исследования являются Флоренс Ханнард из Католического университета Лувена в Бельгии, Мохаммад Миркхалаф из Сиднейского университета в Австралии и Абтин Амери из Массачусетского технологического института.
Источник: Университет Колорадо в Боулдере
