W 1920 roku wynalazca Nikola Tesla opatentował rodzaj rury, którą nazwał „przewodem zastawkowym”, który został zbudowany w celu wciągania płynu w jednym kierunku bez żadnych ruchomych części lub dodatkowej energii i ma zastosowania od miękkiej robotyki po implanty medyczne.

W 2021 roku naukowcy odkryli, że spiralnie ukształtowane jelita rekinów działają w podobny sposób, sprzyjając przepływowi płynów w jednym kierunku — od głowy do miednicy. Ido Levin, fizyk z laboratorium Sarah Keller na Uniwersytecie Waszyngtońskim, zainteresował się fizycznym przepływem płynu przez te spirale rekinów. W poniedziałek 20 lutego na 67. dorocznym spotkaniu Towarzystwa Biofizycznego w San Diego w Kalifornii zaprezentuje, w jaki sposób drukowanie modeli 3D jelit rekina pomaga im dowiedzieć się, jak działają te spirale.

Levin wyjaśnił, że „naukowcy z badania z 2021 r. podłączyli rurkę do jelit rekina i wpuścili przez te rury wodę z gliceryną – bardzo lepkim płynem. I wykazali, że jeśli połączysz te jelita w tym samym kierunku, co przewód pokarmowy , uzyskasz szybszy przepływ płynu niż w przypadku połączenia ich na odwrót”.

„Uważaliśmy, że to bardzo interesujące z punktu widzenia fizyki… Jedno z twierdzeń fizyki mówi, że jeśli weźmiesz rurę i przepłyniesz przez nią płyn bardzo powoli, to po odwróceniu jej przepływ będzie taki sam. Byliśmy więc bardzo zaskoczony, widząc eksperymenty sprzeczne z teorią. Ale potem przypominasz sobie, że jelita nie są zrobione ze stali – są zrobione z czegoś miękkiego, więc kiedy płyn przepływa przez rurkę, deformuje ją.

Aby zbadać dynamikę płynów w rurach spiralnych, Levin i Keller współpracowali ze swoimi kolegami z Nelson Group na University of Washington, aby stworzyć miękkie struktury 3D, które naśladują aspekty jelit rekina. „15 czy 20 lat temu niemożliwe było zrekonstruowanie tych kształtów z materiałów stworzonych przez człowieka” – powiedział Levin.

Kiedy użyli sztywnego materiału do wydrukowania kształtów w 3D, nie było różnicy w przepływie płynu w jednym lub drugim kierunku. Jednak drukowanie kształtów przy użyciu bardziej miękkiego elastomeru doprowadziło do szybszego przepływu płynu w jednym kierunku. Wykorzystując te wydrukowane w 3D struktury, zespół bada, w jaki sposób promień, skok i grubość struktury wewnętrznej wpływają na przepływ płynu.

Dzięki bardziej miękkim materiałom mogą również badać sprzężenie między natężeniem przepływu a tym, jak rura się odkształca. Zrozumienie tych parametrów pomoże w konstruowaniu podobnych struktur, które można wykorzystać w takich rzeczach, jak miękka robotyka.

Do niedawna roboty były wykonywane ze sztywnych materiałów i zawiasów. Ale użycie miękkich materiałów, które mogą odkształcać się na różne sposoby, jak robi to ośmiornica, otwiera cały świat możliwości, wyjaśnia Levin, „to krok naprzód w próbie zrozumienia podstawowej mechaniki interakcji między membranami i przepływem”. Pewnego dnia ten pozornie prosty system może sterować urządzeniami przemysłowymi lub medycznymi.