Сегментированные шарниры в длинных тонких костях рыбьих плавников имеют решающее значение для невероятных механических свойств плавников, и эта конструкция может вдохновить на усовершенствование подводных двигательных систем, новых материалов для роботов и даже новых конструкций самолетов.
Рыбьи плавники - это не простые мембраны, которыми рыбы машут направо и налево для движения. Они, вероятно, представляют собой один из самых элегантных способов взаимодействия с водой. Плавники достаточно гибкие, чтобы принимать самые разнообразные формы, но при этом достаточно жесткие, чтобы толкать воду, не разрушаясь.
Секрет заключается в структуре: У большинства рыб есть лучи - длинные костные шипы, которые укрепляют тонкие мембраны из коллагена, из которых состоят плавники. Каждый из этих лучей состоит из двух жестких рядов маленьких костных сегментов, окружающих более мягкий внутренний слой. Биологи давно знают, что рыбы могут изменять форму своих плавников с помощью мышц и сухожилий, которые толкают или тянут основание каждого луча, но очень мало исследований было проведено именно для изучения механических преимуществ сегментированной структуры.
Для изучения механических свойств сегментированных лучей ученые использовали теоретические модели и 3D-печатные плавники, чтобы сравнить сегментированные лучи с лучами, изготовленными из несегментированного гибкого материала.
Они показали, что многочисленные мелкие костные сегменты действуют как шарнирные точки, позволяя легко сгибать два костных ряда в луче из стороны в сторону. Такая гибкость позволяет мышцам и сухожилиям у основания лучей формировать плавник с минимальными усилиями. В то же время шарнирная конструкция затрудняет деформацию луча по всей его длине. Это предотвращает разрушение плавников, когда они подвергаются давлению воды во время плавания. В 3D-печатных скатах сегментированные конструкции было в четыре раза легче деформировать, чем непрерывные, при сохранении той же жесткости.
Почему это важно
Морфинг-материалы - материалы, форму которых можно изменять, - бывают двух видов. Некоторые из них очень гибкие - например, гидрогели - но такие материалы легко разрушаются под воздействием внешних сил. Морфинг-материалы могут быть и очень жесткими - как, например, некоторые аэрокосмические композиты, - но для небольших изменений их формы требуется большая сила.
Сегментированная структура плавников рыб позволяет преодолеть этот функциональный компромисс благодаря высокой гибкости и прочности. Материалы на основе такой конструкции могут быть использованы в подводных двигателях и улучшить маневренность и скорость подводных лодок, вдохновленных рыбами. Они также могут оказаться невероятно ценными в мягкой робототехнике и позволят инструментам менять самые разнообразные формы, сохраняя при этом способность захватывать объекты с большой силой. Сегментированные лучи могут даже принести пользу аэрокосмической отрасли. Морфинг крыльев, которые могут радикально менять свою геометрию, но при этом нести большие аэродинамические силы, может произвести революцию в том, как самолеты взлетают, маневрируют и приземляются.
Что еще неизвестно
Хотя это исследование в значительной степени объясняет, как работают рыбьи плавники, механика, действующая при сгибании плавников далеко от их нормального положения, все еще остается загадкой. Коллаген имеет тенденцию становиться жестче, чем больше он деформируется, и мы подозреваем, что эта реакция жесткости - вместе с тем, как коллагеновые волокна ориентированы в плавниках рыбы - улучшает механические характеристики плавников, когда они сильно деформированы.
Что дальше
Меня восхищает биомеханика естественных рыбьих плавников, но конечная цель - разработка новых материалов и устройств, вдохновленных их механическими свойствами. В настоящее время ученые разрабатывают пробные образцы материалов, которые, как мы надеемся, убедят широкий круг инженеров в научных кругах и частном секторе в том, что конструкции, вдохновленные рыбьими плавниками, могут обеспечить улучшенные характеристики для различных применений.
Этот прорыв в медицине обычно приписывают одному человеку, Фредерику Бантингу, который искал лекарство от диабета. Но создание надежного средства для лечения диабета зависело от исследований двух других ученых, Оскара Минковского и Сёрена Сёренсена, которые ранее проводили исследования на, казалось бы, несвязанные темы.
История инсулина иллюстрирует тот факт, что медицинские инновации строятся на фундаменте науки, а затем требуются квалифицированные инженеры, чтобы вывести лечение из лаборатории и доставить его людям, которые в нем нуждаются.
Эта идея, в некотором роде, заложена в правилах легкой атлетики. В соревнованиях с несколькими забегами - от студенческого уровня до Олимпийских игр - люди, показавшие более высокое время в ранних забегах, назначаются на средние дорожки в последующих забегах. Другими словами, самые быстрые бегуны получают вознаграждение в виде, как предполагается, лучших дорожек.
Моя недолгая беговая карьера давно позади, но в своей профессиональной деятельности я много думаю об использовании статистики для извлечения смысла из данных. В преддверии Олимпийских игр я решил проверить достоверность фольклора о распределении дорожек, оставшегося со времен моей спринтерской карьеры.
Используя данные Международной ассоциации легкоатлетических федераций за 20 лет, я обнаружил, что давние убеждения о преимуществе дорожки не подтверждаются данными. И на самом деле, в спринте на 200 метров данные свидетельствуют о том, что дорожки, которые часто воспринимаются как наименее желательные, на самом деле являются самыми быстрыми.
Первым шагом в создании модели затонувшего корабля было обучение компьютера тому, как выглядит затонувший корабль. Также важно было научить компьютер отличать затонувшие корабли от рельефа морского дна. Для этого понадобилось множество примеров кораблекрушений. Также нужно было научить модель тому, как выглядит естественное дно океана.
Удобно, что Национальное управление океанических и атмосферных исследований ведет общедоступную базу данных о затонувших кораблях. У нее также есть большая общедоступная база данных различных видов изображений, собранных по всему миру, включая сонарные и лидарные снимки морского дна.
Скорость бега, плавания или гребли, высота или длина прыжка, точность попадания в цель, равновесие или подъем веса в значительной степени зависят от того, на чем сосредоточено внимание спортсмена.
Исследования показывают, что то, на чем концентрируется внимание спортсмена, может стать разницей между завоеванием золота и непопаданием в команду. Удивительным может оказаться тот факт, что переключение внимания с себя - того, что происходит в вашем теле, - на то, что находится снаружи - то, чего вы пытаетесь достичь, - является выигрышной стратегией.
Техническая поддержка проекта ВсеТут