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
10.07.2026
ДНК в стакане воды: как одна проба может рассказать о выдрах, загрязнении и вашем здоровье ДНК заключена в каждой клетке любого растения, животного, гриба или микроба. Каждый вид имеет уникальный генетический код. Организмы постоянно выделяют ДНК в окружающую среду — через слущенные клетки кожи, споры и пыльцу, или даже просто при кашле или чихании. Эта «экологическая ДНК» (еДНК) может дать огромное количество информации. Исследователи используют её для оценки биоразнообразия, отслеживания распространения инвазивных видов и обнаружения п
07.07.2026
Почему наши пальцы разной длины: биология, эволюция и утренний хаос с монетами Однажды в спешке, когда я уже опаздывал на работу, я смахнул несколько вещей со стола, и монеты рассыпались по полу. Поднимая их, я заметил, что использую разные движения, и эти движения зависели от длины пальцев. Большой и указательный сжимались, чтобы поднять десятицентовик. Средний палец тянулся дальше, чтобы достать монету, закатившуюся под край шкафа. Безымянный и мизинец сгибались внутрь, удерживая уже собранные монеты, пока я тянулся за следующими. Эти движен
06.07.2026
Каково это было — быть американским колонистом в 1776 году? Зуд, боль и лёгкая тошнота Если бы смелые революционеры 1776 года обменяли свои треуголки, чепцы и домотканые рубахи на шлёпанцы, кроссовки и футбольные джерси, они выглядели бы совсем как люди 2026 года. Но их ощущение собственного тела и опыт здоровья кардинально отличались от сегодняшних американцев. Дело не только в отсутствии аспирина, зубной пасты и кондиционеров или в незнании микробов и пенициллина. То, что происходило в их желудках, во рту и на коже, было миром далеко от современн
02.07.2026
Жизнь на ледяных лунах: экологический метод поможет найти её, даже не заглядывая под лёд Новые обсерватории и космические миссии исследуют скрытые миры нашей Солнечной системы, которые потенциально могут быть обитаемыми. Ледяные луны, такие как Энцелад у Сатурна или Европа у Юпитера, скорее всего, скрывают под своей замёрзшей коркой океаны. Но слой льда не позволяет зондам взять пробы напрямую. Изучение таких миров почти криминалистическое: их поверхности хранят частичную запись недоступных недр. Нужны инструменты, которые помогут понять
ПИШИТЕ

Техническая поддержка проекта ВсеТут

info@vsetut.pro