En 1920, l’inventeur Nikola Tesla a breveté un type de tuyau qu’il a appelé un « conduit valvulaire », qui a été construit pour aspirer le fluide dans une direction sans aucune pièce mobile ni énergie supplémentaire, et a des applications allant de la robotique douce aux implants médicaux.
En 2021, les scientifiques ont découvert que les intestins en forme de spirale des requins fonctionnent à peu près de la même manière, favorisant l’écoulement des fluides dans une direction, de la tête au bassin. Ido Levin, physicien du laboratoire de Sarah Keller à l’Université de Washington, s’est intéressé à l’écoulement physique des fluides à travers ces spirales de requins. Il présentera comment les modèles d’impression 3D d’intestins de requins les aident à comprendre le fonctionnement de ces spirales le lundi 20 février lors de la 67e réunion annuelle de la Biophysical Society à San Diego, en Californie.
Levin a expliqué que « les chercheurs de l’étude de 2021 ont connecté un tube aux intestins de requin et ont mis de l’eau avec de la glycérine – un fluide très visqueux – à travers ces tuyaux. Et ils ont montré que si vous connectez ces intestins dans le même sens qu’un tube digestif , vous obtenez un flux de fluide plus rapide que si vous les connectez dans l’autre sens. »
« Nous avons pensé que c’était très intéressant d’un point de vue physique… L’un des théorèmes de la physique stipule en fait que si vous prenez un tuyau et que vous y faites circuler un fluide très lentement, vous avez le même débit si vous l’inversez. Nous étions donc très surpris de voir des expériences qui contredisent la théorie. Mais alors vous vous souvenez que les intestins ne sont pas faits d’acier, ils sont faits de quelque chose de mou, donc pendant que le fluide coule à travers le tuyau, il le déforme.
Pour étudier la dynamique des fluides à travers des tuyaux en spirale, Levin et Keller ont collaboré avec leurs collègues du Nelson Group de l’Université de Washington pour créer des structures 3D souples qui imitent les aspects des intestins de requin. « Il y a 15 ou 20 ans, il était impossible d’essayer de reconstruire ces formes dans des matériaux artificiels », a déclaré Levin.
Lorsqu’ils ont utilisé un matériau rigide pour imprimer les formes en 3D, il n’y avait aucune différence d’écoulement de fluide dans un sens ou dans l’autre. Cependant, l’impression des formes à l’aide d’un élastomère plus souple a entraîné un écoulement plus rapide du fluide dans une direction. À l’aide de ces structures imprimées en 3D, l’équipe étudie l’impact du rayon, du pas et de l’épaisseur de la structure interne sur l’écoulement du fluide.
Avec les matériaux plus tendres, ils peuvent également étudier le couplage entre le débit et la déformation du tuyau. Comprendre ces paramètres aidera à concevoir des structures similaires qui peuvent être utilisées pour des choses comme la robotique douce.
Jusqu’à récemment, les robots étaient fabriqués avec des matériaux rigides et des charnières. Mais l’utilisation de matériaux souples qui peuvent se déformer de différentes manières, comme le fait une pieuvre, ouvre tout un monde de possibilités, explique Levin, « c’est un pas en avant pour essayer de comprendre les mécanismes de base de l’interaction entre les membranes et le flux ». Un jour, ce système apparemment simple pourrait contrôler des appareils industriels ou médicaux.
Plus d’information:
Conférence: www.biophysics.org/2023meeting#/
Samantha C. Leigh et al, les intestins en spirale de requin peuvent fonctionner comme des valves Tesla, Actes de la Royal Society B: Sciences biologiques (2021). DOI : 10.1098/rspb.2021.1359