Zajrzyj do dowolnego akwarium, a zobaczysz, że złote rybki i gupiki mają zwinne płetwy. Za pomocą kilku ruchów tych wyrostków pływacy akwariowi mogą zataczać koła, nurkować głęboko, a nawet podskakiwać na powierzchnię.
Nowe badania prowadzone przez University of Colorado Boulder ujawniły tajemnice inżynierii, które sprawiają, że płetwy rybne są tak mocne, a jednocześnie elastyczne. Spostrzeżenia zespołu mogą pewnego dnia doprowadzić do nowych projektów zrobotyzowanych narzędzi chirurgicznych, a nawet skrzydeł samolotu, które zmieniają swój kształt za naciśnięciem przycisku.
Francois Barthelat, starszy autor badania, zauważył, że płetwy są niezwykłe, ponieważ mogą osiągnąć wyczyny zręcznościowe, nawet jeśli nie zawierają ani jednego mięśnia. (Ryby poruszają tymi strukturami poprzez drganie zestawów mięśni znajdujących się u podstawy płetw).
„Jeśli spojrzysz na płetwę, zobaczysz, że składa się ona z wielu sztywnych „promieni” — powiedział Barthelat, profesor z Wydziału Inżynierii Mechanicznej im. Paula M. Rady. „Każdym z tych promieni można manipulować indywidualnie, tak jak palcami, ale w każdej płetwie jest ich 20 lub 30”.
W swoich najnowszych badaniach Barthelat i jego koledzy wykorzystali szereg podejść, w tym symulacje komputerowe i materiały drukowane w 3D, aby zagłębić się w biomechanikę tych zwinnych struktur. Informują, że kluczem do rybich płetw może być ich unikalny design. Każdy promień w płetwie składa się z wielu segmentów twardego materiału, które układają się na wierzchu znacznie bardziej miękkiego kolagenu, dzięki czemu stanowią idealną równowagę między sprężystością a sztywnością.
„Dostajesz tę podwójną zdolność, w której płetwy mogą się zmieniać, a mimo to nadal są dość sztywne, gdy popychają wodę” – powiedział.
Pancerz i samoloty
Barthelat nie jest obcy zaglądaniu do akwariów. Wcześniej badał, w jaki sposób rybie łuski mogą pomóc inżynierom w projektowaniu lepszych kamizelek kuloodpornych dla ludzi i jak muszle mogą zainspirować twardsze okulary.
Płetwy mogą być równie przydatne. Jeśli chodzi o inżynierię, wyjaśnił Barthelat, materiały, które są zarówno sztywne, jak i elastyczne, są gorącym towarem. Na przykład projektanci samolotów od dawna byli zainteresowani opracowywaniem skrzydeł, które mogą zmieniać się na polecenie, dając samolotom większą zdolność manewrowania, jednocześnie utrzymując je w powietrzu.
„Samoloty robią to teraz, do pewnego stopnia, kiedy upuszczają klapy” – powiedział Barthelat. „Ale to w sposób sztywny. Skrzydło wykonane z materiałów zmieniających kształt może natomiast zmienić swój kształt bardziej radykalnie i w sposób ciągły, podobnie jak ptak”.
Aby zrozumieć, w jaki sposób zwykłe, złote rybki osiągają podobne wyczyny każdego dnia, przyjrzyjmy się bliżej tym strukturom pod mikroskopem. Każdy z promieni w płetwie ma strukturę warstwową: kolce składają się z dwóch warstw sztywnych i zmineralizowanych materiałów zwanych hemitrichami, które otaczają wewnętrzną warstwę gąbczastego kolagenu.
Ale, powiedział Barthelat, te warstwy hemitrichów nie są solidne. Są podzielone na segmenty.
„Do niedawna funkcja tych segmentów nie była jasna” – dodaje.
Pływanie, latanie i spacery
Inżynier i jego zespół postanowili wykorzystać symulacje komputerowe do zbadania właściwości mechanicznych płetw. Odkryli, że te segmenty mogą mieć ogromne znaczenie.
Udawaj przez chwilę, wyjaśnił Barthelat, że rybie płetwy składają się wyłącznie z kolagenu. Mogły się łatwo zginać, ale nie dawałyby rybom dużej przyczepności w wodzie, ponieważ siły hydrodynamiczne mogłyby je zawalić. W przeciwieństwie do tego, promienie złożone z litych, niesegmentowanych hemitrichów miałyby odwrotny problem – byłyby zbyt sztywne.
„W zasadzie wszystkie segmenty tworzą te małe zawiasy wzdłuż promienia” – powiedział Barthelat. „Kiedy próbujesz ścisnąć lub naciągnąć te warstwy kostne, mają one bardzo dużą sztywność. Ma to kluczowe znaczenie dla odporności promienia i wytworzenia sił hydrodynamicznych, które popychają wodę.”
Naukowcy następnie przetestowali tę teorię, używając drukarki 3D do produkcji modeli płetw rybnych wykonanych z plastiku, z których część ma wbudowane zawiasy, a część nie. Pomysł się powiódł: zespół odkrył, że projekt segmentowy zapewnia lepsze kombinacje sztywności i możliwości morfingu.
Barthelat dodał, że on i jego koledzy tylko zarysowali powierzchnię szerokiej różnorodności płetw w świecie ryb. Latające ryby, na przykład, rozkładają płetwy, aby szybować nad wodą, podczas gdy poskoczki błotne używają płetw jak nóg do chodzenia po lądzie.
„Lubimy kontynuować to, na czym skończyli biolodzy i zoolodzy, wykorzystując nasze doświadczenie w mechanice materiałów, aby pogłębić nasze zrozumienie niesamowitych właściwości świata przyrody” – powiedział Barthelat.
