Wetenschappers van Harvard hebben 3D-printing gebruikt om een replica op schaal te maken van de huid van een makohaai, waarmee is aangetoond hoe microscopisch kleine tandachtige schubben de zwemefficiëntie van de haai verbeteren. De studie is gepubliceerd in The Journal of Experimental Biology.
De huid van een haai ziet er glanzend en glad uit als hij elegant door het water glijdt, maar bij nadere inspectie blijkt dat hij in feite bezaaid is met miljoenen minuscule, overlappende driedimensionale schubben, denticles genaamd, die het patroon van de waterstroom over de haai verstoren en zo het zwemmen vergemakkelijken. Deze intrigerende structuren hebben wetenschappers in de loop der jaren geïnspireerd op het gebied van de biomimetica, dat is het nabootsen van biologische systemen bij het ontwerpen. Met name hebben onderzoekers geprobeerd de huid van haaien te modelleren om de luchtweerstand te verminderen, hetgeen zelfs is geprobeerd bij het ontwerpen van raceauto’s.
Eerdere pogingen om te onderzoeken hoe deze dentikels precies voordelen bieden bij de voortbeweging zijn gestrand op moeilijkheden bij het repliceren van deze complexe structuren, zodat de modellen vereenvoudigd moesten worden. De modellen werden ook geplaatst op stijve structuren die geen rekening houden met hoe de haaien buigen en buigen tijdens het zwemmen.
In een poging om deze beperkingen te overwinnen, namen Harvard-wetenschappers een stukje huid van een kortvinmakreelhaai en scanden dit met behulp van micro-CT-beeldvorming. Dit stelde het team in staat om een ongelooflijk gedetailleerd 3D-model van een enkele denticil van slechts 0,15 mm lang te construeren, dat zij vervolgens duizenden malen hebben herhaald. Nu het echt lastige gedeelte: het ontwikkelen van een methode om de dentikels nauwkeurig na te maken op een soepele synthetische huid.
“Na een aantal benaderingen te hebben overwogen, besloten we dat de enige manier om harde dentikels in een flexibel substraat in te bedden de 3D-printer was,” zei professor Lauder, hoofdonderzoeker van de studie. “We moesten uitzoeken hoe we ze met meerdere materialen konden printen… De denticles zijn ingebed in het membraan en overlappen elkaar, wat een belangrijke uitdaging vormde.”
Na ongeveer een jaar van vallen en opstaan, waren de wetenschappers tevreden met hun resultaat. Vanwege de beperkingen die 3D-printers opleggen met betrekking tot de resolutie, waren de denticles ongeveer 10 keer zo groot als die van makohaaien.
Het team bekleedde vervolgens een robotapparaat met deze kunsthuid en testte het in water. Het apparaat kon stil worden gehouden of worden bewogen om zwemmen na te bootsen. Het voordeel van deze dentikels was onmiddellijk duidelijk: de kunstmatige getande huid verhoogde de zwemsnelheid met 6,6% in vergelijking met een apparaat met een gladde controlecoating. Bovendien verminderde de kunstmatige haaienhuid het energieverbruik met 5,9%.
“Dat is een enorm effect, als je het over de hele levensduur van een dier bekijkt dat voortdurend zwemt,” vertelde Lauder aan de BBC.
Interessant is dat de wetenschappers ook ontdekten dat de grootste voordelen van de tandjes zich voordeden bij lagere snelheden, wanneer de haai aan het rondcrossen was in plaats van zich door het water te haasten om een prooi aan te vallen.
Door de waterstroom in beeld te brengen terwijl het apparaat in beweging was, kon het team vaststellen dat de denticles ook een sterkere voorwaartse draaikolk produceerden dan de gladde controle, die een draaikolk onder lage druk is die door de beweging van het apparaat wordt geproduceerd. Volgens Lauder kan deze bevinding van groot belang zijn, omdat ze suggereert dat de denticles niet alleen de weerstand verminderen, maar ook de stuwkracht kunnen vergroten. “
De wetenschappers zetten het werk momenteel voort door de dentikels aan te passen en hun vorm en opstelling te wijzigen om een beter idee te krijgen van de oorzaak van dit schijnbare effect. Maar volgens Lauder zal het waarschijnlijk nog wel even duren voordat we zwemkleding met denticula zullen zien.