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.

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.

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.

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.