Wie ein afrikanischer Vogel zu einer besseren Wasserflasche inspirieren könnte

Eine extreme Nahaufnahme von Federn eines Vogels mit einer unheimlichen Fähigkeit, Wasser zu halten, während er fliegt, könnte die nächste Generation von absorbierenden Materialien inspirieren.

Mit hochauflösenden Mikroskopen und 3D-Technologie haben Forscher der Johns Hopkins University und des Massachusetts Institute of Technology eine beispiellose Ansicht der Federn des in der Wüste lebenden Flughuhns eingefangen, die einzigartige Architektur ihrer Federn gezeigt und zum ersten Mal enthüllt, wie sie so viel halten können Wasser.

„Es ist super faszinierend zu sehen, wie die Natur es geschafft hat, Strukturen zu schaffen, die so perfekt effizient sind, um Wasser aufzunehmen und zu halten“, sagte Co-Autor Jochen Mueller, Assistenzprofessor am Department of Civil and Systems Engineering der Johns Hopkins University, der sich auf intelligente Materialien spezialisiert hat und Design. „Aus technischer Sicht glauben wir, dass die Erkenntnisse zu neuen bioinspirierten Kreationen führen könnten.“

Die Arbeit erscheint heute (11. April) in Zeitschrift der Royal Society Interface.

Sandhühner, die in afrikanischen Wüsten vorkommen, nisten normalerweise etwa 20 Meilen von Wasserlöchern entfernt, um vor Raubtieren sicher zu sein. Um den durstigen Küken Wasser nach Hause zu bringen, führen die erwachsenen Männchen eines der besten Beispiele der Natur vor, indem sie Wasser sammeln und damit nach Hause fliegen. und das meiste davon während eines ungefähr 40-Meilen-Fluges nach Hause, der ungefähr eine halbe Stunde dauert, sicher aufzubewahren.

Die männlichen Flughühner sind die einzigen Vögel, von denen bekannt ist, dass sie so Wasser halten – ihre speziell angepassten Bauchfedern sind der Schlüssel.

Andere Forscher dokumentierten diese außergewöhnlichen Bauchfedern erstmals vor mehr als 50 Jahren. Doch erst hier kann das Team mit moderner Technik endlich zeigen, wie die Federn funktionieren.

Mueller und die MIT-Ingenieurin Lorna J. Gibson untersuchten die Mikrostruktur der Bauchfedern mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie, Mikrocomputertomographie, Lichtmikroskopie und 3D-Videographie, indem sie sich die Wellen genau ansahen, die jeweils nur einen Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares hatten die noch kleineren einzelnen Barbulen.

Das Team vergrößerte die Federn stark und beobachtete sie sowohl trocken als auch nass. Dann wurden in einer ebenso heiklen wie entscheidenden Bewegung die trockenen Federn unter Vergrößerung in Wasser getaucht, herausgezogen und dann wieder untergetaucht, genau wie ein Flughuhn an einer Wasserstelle.

„Bei dieser Art von Arbeit kann man nicht einmal atmen, oder man bläst es weg“, sagte Mueller.

Mueller beschrieb die individuelle Federstruktur als „großartig“, mit Komponenten, die auf verschiedene Weise optimiert wurden, um Wasser zu halten und zurückzuhalten, einschließlich der Art und Weise, wie sie sich biegen, wie die Barbulen bei Nässe schützende zeltartige Cluster bilden und wie röhrenförmige Strukturen innerhalb jeder Barbule Wasser einfangen.

Einzelne Federn hielten das Wasser durch einen Wald von Barbulen in der Nähe des Schafts und arbeiteten zusammen mit den gekräuselten Barbulen nahe der Spitze, die fast wie Kappen wirkten.

„Das hat uns begeistert, diesen Detailgrad zu sehen“, sagte Mueller. „Das müssen wir verstehen, um diese Prinzipien zur Schaffung neuer Materialien zu nutzen.“

Das Team modellierte auch die Wasseraufnahme der Federn rechnerisch.

Mueller und Gibson gehen davon aus, dass ihre Ergebnisse zukünftige Konstruktionen untermauern werden, die eine kontrollierte Absorption, sichere Retention und einfache Freisetzung von Flüssigkeiten erfordern.

Mögliche Anwendungen umfassen die Gestaltung von Netzen zum Sammeln und Zurückhalten von Wasser aus Nebel und Tau in Wüstenregionen; und eine Wasserflasche, die lästiges Schwingen und Schwappen verhindert.

Für die Wasserflasche oder den Sportrucksack denkt er über ein Design nach, das viel Flüssigkeit sicher hält, aber ein inneres federähnliches System enthält, das verhindert, dass das Wasser herumschwingt, während sich jemand damit bewegt. Er glaubt, dass ein Trinkrucksack oder eine Wasserblase, die dies leisten könnten, besonders von Läufern geschätzt würde.

Er stellt sich auch medizinische Tupfer der nächsten Generation vor, die einfacher zu verwenden sind, „wo Sie Flüssigkeit effizient aufsaugen können, aber es viel einfacher ist, sie freizusetzen“, sagt er und fügt hinzu, dass die Freigabefunktion ein Problem für die Erfassung des COVID-19-Nasentests war Proben während der Pandemie.

Als nächstes plant das Team, ähnliche Strukturen in 3D zu drucken und kommerzielle Anwendungen zu verfolgen.

Die in dieser Arbeit verwendeten Bauchfedern stammen von einem einzelnen männlichen erwachsenen Namaqua-Flughuhn (Pterocles namaqua) in der Sammlung des Harvard University Museum of Comparative Zoology.