Исследователи разработали гибкую трубу с внутренней спиральной структурой, которая усиливает поток жидкости в одном направлении, для использования в различных областях: от инженерии до медицины. Конструкция имитирует форму акульего кишечника. На этой фотографии восьми прототипов, напечатанных на 3D-принтере, показаны различные внутренние спирали. Кредит: Идо Левин/Вашингтонский университет
Заслонки выполняют важные задачи. От перекачивания сердец до увеличения оборотов двигателей, заслонки помогают жидкости течь в одном направлении. Без них сложно поддерживать движение жидкостей в правильном направлении.
Исследователи из Вашингтонского университета открыли новый способ помочь жидкости течь только в одном направлении — но без заслонок. В статье, опубликованной 24 сентября в Трудах Национальной академии наук, они сообщают, что гибкая труба с внутренней спиральной структурой, вдохновленной кишечником акулы, может поддерживать поток жидкости в одном направлении без клапанов, которые необходимы двигателям и анатомии.
Кишечник человека по сути представляет собой полую трубку. Но у акул и скатов кишечник представляет собой сеть спиралей, окружающих внутренний проход. В публикации 2021 года другая группа предположила, что эта уникальная структура способствует одностороннему потоку жидкостей — также известному как асимметрия потока — через пищеварительный тракт акул и скатов без клапанов или других средств для предотвращения обратного движения. Это утверждение привлекло внимание исследователя-постдокторанта Вашингтонского университета Идо Левина, ведущего автора новой статьи.
«Асимметрия потока в трубе без движущихся клапанов имеет огромный технологический потенциал, но механизм был загадочным», — говорит Левин. «Было неясно, какие части кишечной структуры акулы способствовали асимметрии, а какие только увеличивали площадь поверхности для усвоения питательных веществ».
Исследователи разработали гибкую трубу с внутренней спиральной структурой, которая усиливает поток жидкости в одном направлении, для использования в различных областях: от инженерии до медицины. Конструкция имитирует форму кишечника акулы. На этих изображениях показаны трубы, напечатанные на 3D-принтере исследовательской группы, рядом с пластиковой игрушечной акулой. Автор: Сара Л. Келлер/Вашингтонский университет
Чтобы ответить на эти вопросы, Левин возглавил команду, в которую вошли соавторы Сара Келлер и Альшаким Нельсон, оба профессора химии из Вашингтонского университета, и Нароа Садаба, научный сотрудник Вашингтонского университета. Они напечатали на 3D-принтере серию «биомиметических труб», все с внутренними спиралями, вдохновленными расположением акульих кишок.
Они варьировали геометрические параметры этих прототипных труб, такие как угол наклона спирали или количество поворотов. Их первые трубы были напечатаны из жестких материалов, и они обнаружили, что некоторые из них показали сильное предпочтение однонаправленному потоку.
«Первое измерение асимметрии потока было моментом «Эврики», — сказал Левин. «До этого момента мы не знали, могут ли наши идеализированные структуры воспроизвести эффекты потока, наблюдаемые у акул».
Путем дальнейшей настройки геометрических параметров и печати новых конструкций исследователи увеличили асимметрию потока до тех пор, пока она не стала конкурировать и даже превзошла конструкции знаменитого изобретателя Николы Теслы, который более века назад запатентовал клапан Теслы — устройство одностороннего потока жидкости без движущихся частей.
-
Исследователи разработали гибкую трубу с внутренней спиральной структурой, которая усиливает поток жидкости в одном направлении, для использования в различных областях: от инженерии до медицины. Конструкция имитирует форму кишечника акулы. На этих изображениях показаны трубы, напечатанные на 3D-принтере исследовательской группы. Автор: Сара Л. Келлер/Вашингтонский университет
-
Исследователи разработали гибкую трубу с внутренней спиральной структурой, которая усиливает поток жидкости в одном направлении, для использования в различных областях: от инженерии до медицины. Конструкция имитирует форму кишечника акулы. На этих изображениях показаны трубы, напечатанные на 3D-принтере исследовательской группы, рядом с пластиковой игрушечной акулой. Кредит: Сара Л. Келлер/Вашингтонский университет
-
Исследователи разработали гибкую трубу с внутренней спиральной структурой, которая усиливает поток жидкости в одном направлении, для использования в различных областях, от инженерии до медицины. Конструкция имитирует форму кишечника акулы, как у этой колючей акулы. Кредит: NOAA National Ocean Service
«Вы не можете превзойти Теслу каждый день», — сказал Левин.
Но кишечник акулы, как и кишечник человека, не является жестким. Команда предположила, что так называемые «деформируемые структуры», которые сделаны из более гибких материалов, могут работать еще лучше в качестве клапанов Теслы. Они напечатали на 3D-принтере вторую серию прототипов из самого мягкого полимера, который можно печатать и который можно приобрести в продаже.
Эти гибкие конструкции труб, которые лучше имитируют кишечник акулы как благодаря своей «деформируемости», так и благодаря внутренним спиралям, работали как минимум в семь раз лучше по сравнению со всеми ранее измеренными клапанами Теслы.
«Химики уже были мотивированы разрабатывать полимеры, которые одновременно были бы мягкими, прочными и пригодными для печати», — сказал Нельсон, эксперт по разработке новых типов полимеров. «Потенциальное использование этих полимеров для управления потоком в различных областях применения, от инженерии до медицины, усиливает эту мотивацию».
«Настоящие кишки все еще примерно в 100 раз мягче нашего мягкого материала, поэтому есть много возможностей для совершенствования», — сказал Садаба.
Келлер приписывает успех проекта междисциплинарным идеям команды из биологии, химии и физики, а также самим акулам.
«Биомимикрия — это мощный способ открытия новых конструкций», — сказал Келлер. «Мы бы никогда сами не додумались до этих структур».
Дополнительная информация: Идо Левин и др., Асимметричный поток жидкости в спиральных трубах, вдохновленный кишечником акулы, Труды Национальной академии наук (2024). DOI: 10.1073/pnas.2406481121
Информация о журнале: Труды Национальной академии наук Предоставлено Вашингтонским университетом
