Операция выполнена!
Закрыть

Рыбьи плавники открывают нам секрет гибких роботов и новых материалов, изменяющих форму

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.

ДРУГИЕ СТАТЬИ
07.08.2026
Водители такси реже умирают от Альцгеймера: как навигация защищает мозг Таксисты и водители скорой помощи реже, чем работники почти любой другой профессии, умирают от болезни Альцгеймера. Таков неожиданный результат исследования 2024 года, в котором изучались свидетельства о смерти почти 9 миллионов человек в США. Эти выводы меня поразили, потому что эти две профессии используют то же, что и моя работа: карты. Я провёл более двух десятилетий, глядя на карты. Не на бумажные, а на цифровые, с множеством слоёв: границы наводнений, наложенные на ква
04.08.2026
Тираннозавр за $50 млн: когда окаменелость становится трофеем, наука проигрывает 14 июля 2026 года «Гас» — один из самых полных скелетов тираннозавра рекса — ушёл с молотка за $50,1 млн. Покупатель остался неизвестным. Аукцион Sothebys установил рекорд для самого дорогого ископаемого в истории. Ещё один динозавр пополнил рынок предметов роскоши — напоминание о том, что даже глубочайшая история Земли может быть продана тому, кто больше заплатит. Для палеонтологов окаменелость — не трофей и не произведение искусства. Это уникальный научный архив. Ис
30.07.2026
Постоянная база на Луне к 2030 году: что нужно учесть и где её построить Весной 2026 года космос снова зазвучал в новостях. Миссия Artemis II облетела Луну с четырьмя астронавтами, а NASA объявило о цели построить постоянную лунную базу к 2030 году. Вместе с этим агентство обозначило чёткий план по высадке людей на поверхность Луны, чтобы научиться жить и работать за пределами Земли — прежде чем отправиться дальше, на Марс. Да, мы снова летим на Луну, но на этот раз — чтобы остаться. Как геолог, я изучаю Луну и пилотируемые космические миссии уже 40 лет. Когд
29.07.2026
Отсутствие пирогов вместо пачки лжи: что оговорки по Спунеру рассказывают о том, как мозг производит речь «Вы прошипели лекцию тайны. Более того, вы откусили целого червя!» Если вы никогда не слышали эту фразу, вы, вероятно, понятия не имеете, что она означает. Её якобы произнёс рассеянный преподобный Уильям Арчибальд Спунер после того, как студент пропустил его лекцию по истории и потерял весь семестр. Эти случайные перестановки звуков, известные как спунеризмы, — одни из самых известных речевых ошибок. Они могут быть восхитительно смешными
ПИШИТЕ

Техническая поддержка проекта ВсеТут

info@vsetut.pro