Naukowcy z Harvardu wykorzystali druk 3D do wyprodukowania powiększonej repliki skóry rekina mako, która pokazała, jak mikroskopijne, podobne do zębów łuski poprawiają wydajność pływania rekina. Badanie zostało opublikowane w The Journal of Experimental Biology.
Skóra rekina może wydawać się błyszcząca i gładka, gdy elegancko sunie po wodzie, ale bliższa inspekcja ujawnia, że w rzeczywistości jest usiana milionami maleńkich, nakładających się na siebie trójwymiarowych łusek zwanych zębami, które zakłócają wzór przepływu wody nad rekinem i w ten sposób wspomagają pływanie. Te intrygujące struktury od lat inspirują naukowców w dziedzinie biomimetyki, czyli naśladowania systemów biologicznych w projektowaniu. W szczególności badacze próbowali modelować skórę rekina w celu zmniejszenia oporu powietrza, co było nawet próbowane w projektowaniu samochodów wyścigowych.
Poprzednie wysiłki mające na celu zbadanie, jak dokładnie te wgłębienia dają korzyści w lokomocji, upadły z powodu trudności w replikowaniu tych złożonych struktur, co oznaczało, że modele musiały być uproszczone. Modele były również umieszczane na sztywnych strukturach, które nie uwzględniają tego, jak rekiny wyginają się i zginają podczas pływania.
W celu przezwyciężenia tych ograniczeń naukowcy z Harvardu pobrali próbkę skóry rekina ostronosego i zeskanowali ją za pomocą obrazowania mikro-CT. Umożliwiło to zespołowi skonstruowanie niezwykle szczegółowego modelu 3D pojedynczego zębodołu o długości zaledwie 0,15 mm, który następnie powtórzyli tysiące razy. Teraz nadeszła naprawdę trudna część – opracowanie metody dokładnego odwzorowania zębodołów na elastycznej, syntetycznej skórze.
„Po rozważeniu wielu podejść, zdecydowaliśmy, że jedynym sposobem na osadzenie twardych zębodołów w elastycznym podłożu jest drukarka 3D”, powiedział profesor Lauder, główny badacz badania. „Musieliśmy wymyślić, jak drukować je z wielu materiałów… Cząsteczki są osadzone w membranie i zachodzą na siebie, co stanowiło kluczowe wyzwanie.”
Po około roku prób i błędów, naukowcy byli zadowoleni ze swoich wyników. Ze względu na ograniczenia narzucone przez drukarki 3D w odniesieniu do rozdzielczości, wypustki były około 10 razy większe niż te znalezione na rekinach mako.
Zespół następnie pokrył sztuczną skórą urządzenie robotyczne i przetestował je w wodzie. Urządzenie mogło być trzymane nieruchomo lub poruszać się tak, by naśladować pływanie. Przewaga, jaką dawały te wypustki, była natychmiast widoczna; sztuczna zębata skóra zwiększyła prędkość pływania o 6,6% w porównaniu z urządzeniem z gładką powłoką kontrolną. Co więcej, sztuczna skóra rekina zmniejszyła wydatek energetyczny o 5,9%.
„To ogromny efekt, jeśli weźmiemy pod uwagę cały okres życia zwierzęcia, które nieustannie pływa” – powiedział Lauder w wywiadzie dla BBC.
Co ciekawe, naukowcy odkryli również, że największe korzyści płynące z zastosowania wypustek pojawiły się przy mniejszych prędkościach, kiedy rekin pływa, a nie śmiga przez wodę, aby zaatakować ofiarę.
Dzięki obrazowaniu przepływu wody, gdy urządzenie było w ruchu, zespół był w stanie zauważyć, że wypustki również wytworzyły silniejszy wir na krawędzi prowadzącej niż płynna kontrola, która jest niskociśnieniowym wirem wytwarzanym przez ruch urządzenia. Według Laudera, to odkrycie może być bardzo ważne, ponieważ sugeruje, że zamiast tylko zmniejszać opór, wypustki mogą w rzeczywistości zwiększać siłę ciągu. „
Naukowcy kontynuują obecnie prace nad udoskonaleniem cząsteczek, zmieniając ich kształt i ułożenie, aby lepiej zrozumieć, co powoduje ten widoczny efekt. Ale według Laudera, prawdopodobnie minie trochę czasu zanim zobaczymy stroje kąpielowe pokryte wypustkami.