Wissenschaftler verstehen schließlich Haifischhaut, dank 3D Drucker

Wenn Sie einen Hai als bedeckt Schleifpapier toothy Torpedo beschrieben, wäre Sie nicht zu weit von der Marke. Es ist das grobe sandpapery Haut, die Haie ihre hocheffiziente schwimmen Fähigkeiten bietet, und Wissenschaftler endlich verstehen, warum.

Eine Haifischhaut ist in Millionen von mikroskopisch kleinen Dentikeln, starre zahnähnlichen Schuppen bedeckt, die von der weichen Haut unter heraus ragen. Durch Unterbrechung der Strömung von Wasser über die Fischhaut, es wird vermutet, die Dentikel Luftwiderstand, was für ein effizienteres Schwimmer verringern. Aber um wirklich empirisch zu verstehen, wie die Dentikel ihre Arbeit tun, müssen Sie, wie verschiedene Arten von Haut Beläge Affekt zu sehen, die Fluiddynamik wie Wasser über die Haut der schwimmenden Fischen wäscht. Sie können keinen echte Hai und geben ihm neue Haut, so dass Forscher der Harvard University Li Wen, James C. Weaver und George V. Lauder künstliche Haifischhaut stattdessen erstellt. Sie hergestellt, dass es mit einem 3D Drucker.

Im Journal of Experimental Biologyerklärt Kathryn Knight:

Nach der Suche nach einem Mako-Hai in einem lokalen Fischmarkt, nahm Lauder eine kleine Probe der Haut für Scannen, um eine hochauflösende Ansicht der Oberfläche zu erhalten. Als nächstes haben vergrößert er und Wen eine repräsentative Denticle, ein detailliertes Modell der Struktur zu erstellen, bevor Sie es tausendfach in einem Computermodell der Haut zu reproduzieren. Dann musste das Team einen Weg finden, das Modell zu konstruieren. "Nach der Prüfung einer Reihe von Ansätzen, wir beschlossen, dass die einzige Möglichkeit zum Einbetten von harten Dentikel in einem flexiblen Substrat der 3D-Drucker", erinnert sich Lauder, aber dies war leichter gesagt als getan. "Wir mussten herausfinden, wie Steinen Drucken mehrerer Materialien... Die Dentikel sind eingebettet in die Membran und Überschneidungen, die eine wichtige Herausforderung ", erinnert sich Lauder. Aber nach einem Jahr der Prüfung verschiedener Materials, drucken Protokolle und vergrößern die Dentikel und deren Abstand produziert Weaver schließlich ein überzeugendes Beispiel mit der Dentikel in eine flexible Unterstützung gesichert. "[Scanning Electron Schliffbild] zu sehen war SEM der gebogene Membran mit der Dentikel ein großer Moment für uns", schmunzelt Lauder, der zugibt, dass das Bild des SEM in die Forschungsarbeit eines seiner Lieblings-Forschung-Bilder der letzten Jahre.

Künstliche Haifischhaut mit starren Dentikel an einer flexiblen Membran befestigt. Bildnachweis: James Weaver.

Lauder Konzern ausgesetzt dann ihre 3D-gedruckten faux Haut zu einer Reihe von Tests im Wasser. Sie fanden heraus, dass es gelungen, Luftwiderstand um 8,7 %, wenn das Wasser fließt über sie bewegte sich langsam, die steht im Einklang mit dem Gedanken, dass Dentikel reduzieren den Luftwiderstand zu verringern. Aber bei schneller Strömung, ziehen Sie die Dentikel tatsächlich erhöht um 15 % im Vergleich zu einem glatten Blatt. Das mag zunächst überraschend, aber Haie schwimmen Sie nicht in einer geraden Linie, sie zappeln ihren Körper. Als die Forscher begannen ihre künstlichen Haut zappelt, das Schwimmen wieder effizienter: Schwimmgeschwindigkeit stieg um 6,6 % und der Kraftaufwand um 5,9 % reduziert wurde.

Das heißt, es ist nicht allein die Dentikel, die Rechnung für den Hai effizient schwimmen. Ein Hai, stützt sich auf seine raue Haut, kombiniert mit wellenartigen Bewegung seines Körpers, wie es durch das Wasser schaukelt.

Es ist das erste Mal, dass jemand eine Möglichkeit, die zwei wichtigsten Eigenschaften der Haifischhaut in einem künstlichen Gerät kombinieren gefunden hat: starre Dentikel kombiniert mit einem flexiblen Substrat. Nun, da sie so Haut herstellen können, haben neue Recherchemöglichkeiten um zu erkunden, wie die unterschiedlichen Muster der Dentikel verschiedene Haiarten geben ihre eigene einzigartige Rand eröffnet.

Erkenntnisse aus dieser Linie der Forschung könnte auch eröffnen neue Grenzen für die weichhäutigen hydrodynamischen Robotik und führen zur Innovation in der Gestaltung effizienter Neoprenanzüge und andere Bekleidung schwimmen.

[Journal of Experimental Biology]

Header-Bild: Mako Shark, NOAA/Public Domain.