Wissenschaftler aus Harvard haben mit Hilfe des 3D-Drucks eine maßstabsgetreue Nachbildung der Haut eines Makohais hergestellt, die zeigt, wie mikroskopisch kleine zahnähnliche Schuppen die Schwimmeffizienz des Hais verbessern. Die Studie wurde im Journal of Experimental Biology veröffentlicht.
Die Haut eines Hais mag glänzend und glatt erscheinen, wenn er elegant durch das Wasser gleitet, aber bei näherer Betrachtung zeigt sich, dass sie in Wirklichkeit mit Millionen winziger, sich überlappender dreidimensionaler Schuppen, den sogenannten Dentikeln, übersät ist, die das Muster der Wasserströmung über dem Hai stören und so das Schwimmen erleichtern. Diese faszinierenden Strukturen haben Wissenschaftler im Laufe der Jahre auf dem Gebiet der Biomimetik inspiriert, d. h. der Nachahmung biologischer Systeme im Design. Insbesondere haben Forscher versucht, die Haifischhaut zu modellieren, um den Luftwiderstand zu verringern, was sogar beim Design von Rennwagen versucht wurde.
Vorherige Versuche, zu untersuchen, wie genau diese Dellen Vorteile bei der Fortbewegung verleihen, scheiterten an den Schwierigkeiten, diese komplexen Strukturen nachzubilden, so dass die Modelle vereinfacht werden mussten. Außerdem wurden die Modelle auf starre Strukturen gesetzt, die nicht berücksichtigen, wie sich die Haie während des Schwimmens beugen und biegen.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, nahmen die Harvard-Wissenschaftler eine Hautprobe von einem Kurzflossen-Makohai und scannten sie mit Hilfe von Mikro-CT-Bildgebung. Auf diese Weise konnte das Team ein unglaublich detailliertes 3D-Modell eines einzelnen, nur 0,15 mm langen Dentikels konstruieren, das sie anschließend tausende Male wiederholten. Jetzt kommt der wirklich knifflige Teil – die Entwicklung einer Methode zur genauen Replikation der Dentikel auf einer geschmeidigen synthetischen Haut.
„Nachdem wir eine Reihe von Ansätzen in Betracht gezogen hatten, entschieden wir, dass die einzige Möglichkeit, harte Dentikel in ein flexibles Substrat einzubetten, der 3D-Drucker war“, sagt Professor Lauder, leitender Forscher der Studie. „Wir mussten herausfinden, wie wir sie mit verschiedenen Materialien drucken können… Die Dentikel sind in die Membran eingebettet und überlappen sich, was eine große Herausforderung darstellte.“
Nach etwa einem Jahr des Ausprobierens waren die Wissenschaftler mit ihrem Ergebnis zufrieden. Aufgrund der Einschränkungen, die 3D-Drucker in Bezug auf die Auflösung mit sich bringen, waren die Dentikel etwa zehnmal so groß wie die, die man bei Makohaien findet.
Das Team beschichtete dann ein Robotergerät mit dieser künstlichen Haut und testete es im Wasser. Das Gerät konnte entweder stationär gehalten oder bewegt werden, um das Schwimmen zu imitieren. Der Vorteil, den diese Dellen mit sich brachten, war sofort ersichtlich: Die künstliche Zahnhaut erhöhte die Schwimmgeschwindigkeit um 6,6 % im Vergleich zu einem Gerät mit einer glatten Kontrollbeschichtung. Darüber hinaus reduzierte die künstliche Haifischhaut den Energieverbrauch um 5,9 %.
„Das ist ein enormer Effekt, wenn man ihn auf die gesamte Lebenszeit eines Tieres, das ständig schwimmt, umrechnet“, so Lauder gegenüber der BBC.
Interessanterweise fanden die Wissenschaftler auch heraus, dass die größten Vorteile, die die Zähnchen vermittelten, bei langsameren Geschwindigkeiten auftraten, wenn der Hai umherschwimmt, anstatt sich durch das Wasser zu bewegen, um Beute anzugreifen.
Durch die Abbildung der Wasserströmung während der Bewegung des Geräts konnte das Team feststellen, dass die Dentikel auch einen stärkeren Leitkantenwirbel erzeugten als die glatte Steuerung, bei der es sich um einen durch die Bewegung des Geräts erzeugten Niederdruckwirbel handelt. Laut Lauder könnte dieser Befund sehr wichtig sein, da er darauf hindeutet, dass die Dentikel nicht nur den Luftwiderstand reduzieren, sondern sogar den Schub erhöhen können. „Es kann helfen, den Fisch nach vorne zu saugen“, fügte er hinzu.
Die Wissenschaftler setzen derzeit die Arbeit fort, indem sie die Dentikel optimieren, ihre Form und Anordnung verändern, um eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, was diesen offensichtlichen Effekt verursacht. Aber laut Lauder wird es wohl noch eine Weile dauern, bis wir Bademode mit Dentikeln sehen werden.