Scienziati di Harvard hanno usato la stampa 3D per produrre una replica in scala della pelle di uno squalo mako che ha dimostrato come le microscopiche scaglie simili a denti migliorano l’efficienza del nuoto dello squalo. Lo studio è stato pubblicato su The Journal of Experimental Biology.
La pelle di uno squalo può apparire lucida e liscia mentre scivola elegantemente nell’acqua, ma un’ispezione più attenta rivela che è in realtà disseminata di milioni di piccole squame tridimensionali sovrapposte chiamate denticoli che interrompono il flusso dell’acqua sullo squalo e quindi aiutano il nuoto. Queste intriganti strutture hanno ispirato gli scienziati nel corso degli anni nel campo della biomimetica, che è l’imitazione dei sistemi biologici nel design. In particolare, i ricercatori hanno cercato di modellare la pelle degli squali per ridurre la resistenza, cosa che è stata persino tentata nella progettazione di auto da corsa.
Gli sforzi precedenti per studiare come precisamente questi denticoli conferiscano vantaggi nella locomozione sono caduti a causa delle difficoltà nel replicare queste strutture complesse, il che significa che i modelli dovevano essere semplificati. I modelli sono stati inoltre collocati su strutture rigide che non tengono conto di come gli squali si piegano e si flettono durante il nuoto.
Nel tentativo di superare queste limitazioni, gli scienziati di Harvard hanno preso un campione di pelle di uno squalo mako a pinna corta e l’hanno scannerizzato utilizzando l’imaging micro-CT. Questo ha permesso al team di costruire un modello 3D incredibilmente dettagliato di un singolo denticolo lungo appena 0,15 mm, che è stato poi ripetuto migliaia di volte. Ora la parte veramente difficile: sviluppare un metodo per replicare accuratamente i denticoli su una pelle sintetica flessibile.
“Dopo aver considerato una serie di approcci, abbiamo deciso che l’unico modo per incorporare i denticoli duri in un substrato flessibile era la stampante 3D”, ha detto il professor Lauder, ricercatore principale dello studio. “Abbiamo dovuto capire come stamparli con più materiali… I denticoli sono incorporati nella membrana e si sovrappongono, il che ha rappresentato una sfida chiave.”
Dopo circa un anno di prove ed errori, gli scienziati sono stati soddisfatti del loro risultato. A causa delle limitazioni imposte dalle stampanti 3D per quanto riguarda la risoluzione, i denticoli erano circa 10 volte più grandi di quelli che si trovano sugli squali mako.
Il team ha poi rivestito un dispositivo robotico con questa pelle artificiale e lo ha testato in acqua. Il dispositivo poteva essere tenuto fermo o spostato per imitare il nuoto. Il vantaggio offerto da queste denticelle è stato subito evidente: la pelle artificiale dentata ha aumentato la velocità di nuoto del 6,6% rispetto a un dispositivo con un rivestimento liscio di controllo. Inoltre, la pelle artificiale dello squalo ha ridotto il dispendio energetico del 5,9%.
“Questo è un effetto enorme, se considerato per tutta la vita di un animale che nuota costantemente”, ha detto Lauder alla BBC.
Interessante, gli scienziati hanno anche scoperto che i maggiori vantaggi trasmessi dai denticoli si sono verificati a velocità più basse, quando lo squalo sta navigando invece di spingersi nell’acqua per attaccare una preda.
Facendo l’imaging del flusso d’acqua mentre il dispositivo era in movimento, il team è stato in grado di discernere che i denticoli hanno anche prodotto un vortice di testa più forte rispetto al controllo liscio, che è un vortice a bassa pressione prodotto dal movimento del dispositivo. Secondo Lauder, questa scoperta potrebbe essere molto importante poiché suggerisce che piuttosto che ridurre solo la resistenza, i denticoli possono effettivamente aumentare la spinta. “
Gli scienziati stanno attualmente continuando il lavoro modificando i denticoli, alterando la loro forma e disposizione per avere un’idea migliore di ciò che causa questo effetto apparente. Ma secondo Lauder, ci vorrà probabilmente un po’ di tempo prima di vedere dei costumi da bagno con i denticoli.