鲨鱼肠启发了一种让液体沿着管道朝一个方向流动的新方法

Josiah02 · 发表于前天 20:45

襟翼发挥着至关重要的作用。从泵送心脏到使发动机旋转，襟翼帮助液体朝一个方向流动。没有它们，保持液体朝正确方向流动是很难做到的。
华盛顿大学的研究人员发现了一种新方法，可以让液体只朝一个方向流动，而无需襟翼。在9 月 24 日发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，他们报告说，一种柔性管道（其内部螺旋结构灵感来自鲨鱼肠道）可以让液体朝一个方向流动，而无需发动机和解剖学所依赖的襟翼。
人类的肠道本质上是一根空心管。但对于鲨鱼和鳐鱼来说，它们的肠道具有围绕内部通道的螺旋网络。在 2021 年的一篇出版物中，另一个团队提出，这种独特的结构促进了液体在鲨鱼和鳐鱼的消化道中的单向流动（也称为流动不对称），而无需瓣膜或其他辅助工具来防止回流。这一说法引起了华盛顿大学博士后研究员、新论文的主要作者 Ido Levin 的注意。
“没有活动挡板的管道中的流动不对称具有巨大的技术潜力，但其机制令人费解，”莱文说。“目前还不清楚鲨鱼肠道结构的哪些部分导致了这种不对称，哪些部分只起到了增加营养吸收表面积的作用。”
研究人员开发了一种柔性管道，其内部螺旋结构可增强流体在一个方向上的流动，可用于从工程到医学的各种应用。该设计模仿了鲨鱼肠道的形状。这些图片展示了研究团队的 3D 打印管道和塑料玩具鲨鱼。图片来源：Sarah L. Keller/华盛顿大学
为了解答这些问题，莱文带领团队，其中包括论文合著者萨拉·凯勒和阿尔沙基姆·尼尔森（两人都是华盛顿大学的化学教授），以及华盛顿大学的博士后研究员纳罗亚·萨达巴。他们用 3D 打印了一系列“仿生管道”，所有管道的内部螺旋都受到鲨鱼肠道布局的启发。
他们改变了这些原型管道的几何参数，例如螺旋的螺距角或圈数。他们的第一批管道是用刚性材料打印的，他们发现有些管道对单向流动表现出强烈的偏好。
“第一次测量流动不对称性时，我们突然顿悟了，”莱文说。“直到那一刻，我们才知道我们理想化的结构是否能重现鲨鱼身上的流动效应。”
通过进一步调整几何参数和打印新设计，研究人员增加了流动不对称性，直到它可以与著名发明家尼古拉·特斯拉的设计相媲美甚至超越他，尼古拉·特斯拉在一个多世纪前获得了特斯拉阀门的专利，这是一种没有活动部件的单向流体流动装置。
“你不可能每天都打败特斯拉，”莱文说。
但鲨鱼的肠道——就像人类的肠道一样——并不坚硬。该团队怀疑，所谓的“可变形结构”——由更柔韧的材料制成，可能比特斯拉阀门的性能更好。他们用 3D 打印技术打印了第二组原型，这些原型由最柔软的聚合物制成，既可打印，又可商业化。
这些柔性管道设计通过其“可变形性”及其内部螺旋更好地模拟了鲨鱼肠道，其性能比之前测量的所有特斯拉阀门至少好七倍。
“化学家们已经积极开发既柔软又坚固、可打印的聚合物，”开发新型聚合物的专家纳尔逊说。“这些聚合物在从工程到医学等各种应用中控制流动的潜在用途增强了这种动机。”
萨达巴表示：“实际的肠道仍然比我们的软材料软 100 倍左右，因此还有很大的改进空间。”
凯勒将该项目的成功归功于团队的生物学、化学和物理学跨学科思想，以及鲨鱼本身。
“仿生学是发现新设计的有效方法，”凯勒说。“我们自己永远不会想到这些结构。”

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