Was Physiker vom Haidarm lernen können

Im Jahr 1920 patentierte der Erfinder Nikola Tesla eine Art von Rohr, das er als „Klappenleitung“ bezeichnete, das so gebaut war, dass es Flüssigkeit in eine Richtung ohne bewegliche Teile oder zusätzliche Energie zog, und Anwendungen hat, die von weicher Robotik bis zu medizinischen Implantaten reichen.

Im Jahr 2021 entdeckten Wissenschaftler, dass der spiralförmige Darm von Haien ähnlich funktioniert und den Flüssigkeitsfluss in eine Richtung begünstigt – vom Kopf zum Becken. Ido Levin, ein Physiker im Labor von Sarah Keller an der University of Washington, begann sich für den physikalischen Fluss von Flüssigkeiten durch diese Haispiralen zu interessieren. Er wird am Montag, den 20. Februar, auf dem 67. Annual Biophysical Society Meeting in San Diego, Kalifornien, vorstellen, wie 3D-Druckmodelle von Haidärmen ihnen helfen, mehr über die Funktionsweise dieser Spiralen zu erfahren.

Levin erklärte, dass „die Forscher der Studie von 2021 einen Schlauch mit dem Darm des Hais verbunden und Wasser mit Glycerin – einer sehr viskosen Flüssigkeit – durch diese Rohre geleitet haben , erhalten Sie einen schnelleren Flüssigkeitsfluss, als wenn Sie sie umgekehrt anschließen.

„Wir fanden das aus physikalischer Sicht sehr interessant … Einer der Sätze in der Physik besagt tatsächlich, dass, wenn man ein Rohr nimmt und Flüssigkeit sehr langsam hindurchfließt, man den gleichen Fluss hat, wenn man es umkehrt. Also waren wir sehr überrascht, Experimente zu sehen, die der Theorie widersprechen. Aber dann erinnert man sich, dass die Eingeweide nicht aus Stahl sind – sie sind aus etwas Weichem, also verformt es sich, während Flüssigkeit durch das Rohr fließt.“

Um die Fluiddynamik durch Spiralrohre zu untersuchen, arbeiteten Levin und Keller mit ihren Kollegen in der Nelson Group an der University of Washington zusammen, um weiche 3D-Strukturen zu schaffen, die Aspekte des Haidarms nachahmen. „Vor 15 oder 20 Jahren war es unmöglich, diese Formen in künstlichen Materialien zu rekonstruieren“, sagte Levin.

Als sie ein starres Material zum 3D-Drucken der Formen verwendeten, gab es keinen Unterschied im Flüssigkeitsfluss in die eine oder andere Richtung. Das Drucken der Formen mit einem weicheren Elastomer führte jedoch zu einem schnelleren Flüssigkeitsfluss in eine Richtung. Anhand dieser 3D-gedruckten Strukturen untersucht das Team, wie sich Radius, Abstand und Dicke der inneren Struktur auf den Flüssigkeitsfluss auswirken.

Bei den weicheren Materialien können sie auch die Kopplung zwischen der Durchflussrate und der Verformung des Rohrs untersuchen. Das Verständnis dieser Parameter wird bei der Entwicklung ähnlicher Strukturen helfen, die für Dinge wie Soft-Robotik verwendet werden können.

Bis vor kurzem wurden Roboter aus starren Materialien und Scharnieren hergestellt. Aber die Verwendung von weichen Materialien, die sich auf unterschiedliche Weise verformen können, wie es ein Oktopus tut, eröffnet eine ganze Welt von Möglichkeiten, erklärt Levin, „das ist ein Schritt nach vorne bei dem Versuch, die grundlegende Mechanik der Wechselwirkung zwischen Membranen und Strömung zu verstehen.“ Eines Tages könnte dieses scheinbar einfache System industrielle oder medizinische Geräte steuern.