Site Overlay

Inženýři odkrývají tajemství rybích ploutví

Inženýři odkrývají tajemství rybích ploutví

Nová studie odhalila technické tajemství, díky němuž jsou rybí ploutve silné, ale přesto pružné. Výzkum by jednoho dne mohl vést k novým návrhům robotických chirurgických nástrojů nebo dokonce křídel letadel, která změní svůj tvar pouhým stisknutím tlačítka.

Nahlédněte do jakéhokoli akvária a uvidíte, že domácí zlaté rybky a živorodky duhové mají hbité ploutve. Několika švihnutími těmito ploutvemi se akvarijní plavci mohou otáčet v kruzích, potápět se hluboko dolů nebo dokonce plout téměř na hladině.

Nový výzkum vedený University of Colorado Boulder odhalil technická tajemství, díky nimž jsou rybí ploutve tak silné, ale přesto pružné. Vhledy týmu by jednoho dne mohly vést k novým návrhům robotických chirurgických nástrojů nebo dokonce křídel letadel, která změní svůj tvar pouhým stisknutím tlačítka. Vědci zveřejnili své výsledky 11. srpna v časopise Science Robotics .

Francois Barthelat, hlavní autor studie, poznamenal, že ploutve jsou pozoruhodné, protože mohou dosáhnout výkonů obratnosti, přestože neobsahují jediný sval. (Ryby pohybují těmito strukturami škubnutím celé sady svalů umístěných na spodní části ploutví).

„Když se podíváte na ploutev, uvidíte, že je vyrobena z mnoha tuhých‚ paprsků ‘,“ řekl Barthelat, profesor katedry strojního inženýrství Paul M. Rady a ještě dodal, že: „S každým z těchto paprsků lze manipulovat jednotlivě stejně jako s lidskými prsty, ale v každé ploutvi je jich 20 nebo 30.“

zlatá rybka

Barthelat a jeho kolegové ve svém nejnovějším výzkumu čerpali z řady přístupů, včetně počítačových simulací a 3D tištěných materiálů, aby se ponořili hluboko do biomechaniky těchto agilních struktur. Uvádějí, že klíč k obratnosti rybích ploutví může spočívat v jejich jedinečném designu. Každý paprsek v ploutvi se skládá z několika segmentů tvrdého materiálu, které se skládají z mnohem měkčího kolagenu, což z nich činí dokonalou rovnováhu mezi pohybovým a tuhým. „Získáte tuto dvojí schopnost, kde se mohou ploutve morfovat, a přesto jsou při tlačení vody stále docela tuhé,“ řekl Barthelat.

Brnění a letadla

Barthelatovi rozhodně není cizí pohled do akvárií. Dříve studoval, jak mohou rybí šupiny pomoci technikům navrhnout lepší neprůstřelnou vestu pro lidi a jak mušle mohou inspirovat tvrdší brýle.

Ploutve mohou být stejně užitečné. Pokud jde o strojírenství, vysvětlil Barthelat, materiály, které jsou jak tuhé, tak pružné, jsou žhavou komoditou. Například konstruktéři letadel se dlouhodobě zajímají o vývoj křídel, která se mohou na povel přeměnit, což by dalo letadlům větší manévrovací schopnosti a přitom se stále udržela ve vzduchu.

„Letouny to do určité míry dělají teď, když shodí klapky,“ řekl Barthelat. „Ale stále se jedná o pevné křídlo. Křídlo vyrobené z morfovacích materiálů by naopak mohlo měnit svůj tvar radikálněji a souvisleji, podobně jako to dělá pták během letu.“

Chceme-li porozumět tomu, jak obyčejné zlaté rybky dosahují podobných výkonů každý den, je logické studovat tyto struktury z zblízka pod mikroskopem. Každý z paprsků v ploutvi má vrstvenou strukturu. Hroty obsahují dvě vrstvy tuhých a mineralizovaných materiálů nazývaných hemitrichy, které obklopují vnitřní vrstvu houbovitého kolagenu. Ale, jak řekl Barthelat, tyto vrstvy hemitrichů nejsou pevné. Jsou rozděleny na segmenty. „Až donedávna nebyla funkce těchto segmentů jasná,“ dodal.

živorodka duhová

Plavání, létání a chůze

Barthelat a jeho tým využili k výzkumu technologii počítačové simulace ke zkoumání mechanických vlastností žeber. Zjistili, že tyto segmenty mohou znamenat velký rozdíl.

„Na chvíli předstírejte, vysvětlil Barthelat, že rybí ploutve jsou tvořeny výhradně kolagenem. Mohly by se snadno ohýbat, ale ve vodě by rybám nedávaly velkou trakci, protože by je zhroutily hydrodynamické síly. Paprsky tvořené pevnými nesegmentovanými hemitrichy by naopak měly opačný problém-byly by příliš tuhé“.

„Všechny segmenty v podstatě vytvářejí tyto malé závěsy podél paprsku,“ řekl Barthelat. „Když se pokusíte tyto kostnaté vrstvy stlačit nebo zatáhnout, mají velmi vysokou tuhost. To je zásadní pro to, aby paprsek odolával a vytvářel hydrodynamické síly, které tlačí na vodu. Pokud se, ale pokusíte ohýbat jednotlivé kostnaté vrstvy, jsou velmi poddajnými a tato část je kritická pro to, aby se paprsky snadno deformovaly ze základních svalů. “

Vědci dále testovali teorii pomocí 3D tiskárny k výrobě modelových rybích ploutví vyrobených z plastu, některé s vestavěnými závěsy a některé bez. Tým zjistil, že segmentovaný design poskytuje lepší kombinace tuhosti a morfovacích schopností.

Barthelat dodal, že se svými kolegy se pouze dotkl široké rozmanitosti ploutví ve světě ryb. Létající ryby například nasazují své ploutve, aby klouzaly nad vodou, zatímco lezcovití používají své ploutve jako nohy k chůzi po souši.

„Rádi pokračujeme tam, kde biologové a zoologové skončili, a využíváme naše znalosti v mechanice materiálů k dalšímu porozumění úžasným vlastnostem přírodního světa,“ řekl Barthelat. Spoluautoři nové studie zahrnují Floren Hannard z Katolické univerzity v Louvainu v Belgii, Mohammad Mirkhalaf z University of Sydney v Austrálii a Abtin Ameri z MIT.