در سال 1920، نیکولا تسلا مخترع بزرگ، نوعی از لوله به نام "مجرای دریچه ای" را به ثبت رساند که برای کشیدن مایع در یک جهت بدون هیچ گونه قطعه متحرک یا انرژی افزوده ساخته شده بود و کاربردهای مختلفی از رباتیک نرم تا ایمپلنت های پزشکی دارد.

در سال 2021، دانشمندان کشف کردند که روده‌های مارپیچی شکل کوسه‌ها تقریباً به همین شکل عمل کرده و باعث جریان مایع در یک جهت، از سر تا لگن می شود. ایدو لوینIdo Levin ، فیزیکدانی در آزمایشگاه سارا کلر در دانشگاه واشنگتن، به جریان فیزیکی شاره از طریق این مارپیچ های کوسه علاقه مند شد. او در شصت و هفتمین نشست سالانه انجمن بیوفیزیکی در سن دیگو، کالیفرنیا در فوریه 2023، ارائه کرد که چگونه مدل های چاپ سه بعدی روده کوسه به آنها کمک می کند تا در مورد نحوه کار این مارپیچ ها بیاموزند.

لوین توضیح داد که "محققان در مطالعه سال 2021 یک لوله را به روده کوسه متصل کردند و آب با گلیسیرین - مایعی با گرانروی بالا – را درون لوله ها ریختند. آنها نشان دادند که اگر این روده ها را در همان جهت مسیر گوارش وصل کنید، جریان سیالی که به دست می آورید نسبت به زمانی که آنها را برعکس وصل کنید سریعتر خواهد بود".

لوین می گوید " این از منظر فیزیک برای ما بسیار جالب بود... یکی از قضایای فیزیک در واقع بیان می‌کند که اگر لوله‌ای را بردارید و شاره را خیلی آهسته در آن جریان دهید، چنانچه آن را معکوس کنید همان جریان را خواهید داشت. بنابراین از دیدن آزمایش هایی که با این نظریه در تضاد بودند بسیار شگفت زده شدیم. اما بعد به یاد بیاورید که روده ها از فولاد ساخته نشده اند. آنها از چیزی نرم ساخته شده اند. بنابراین در حالی که مایع در لوله جریان می یابد، آن را تغییر شکل می دهد".

برای مطالعه دینامیک شاره از طریق لوله های مارپیچی، لوین و آزمایشگاه کلر، با همکارانشان در گروه نلسون در دانشگاه واشنگتن برای ایجاد ساختارهای نرم و سه بعدی که جنبه هایی از روده کوسه را تقلید کند، همکاری کردند. لوین گفت: 15 یا 20 سال پیش، تلاش برای بازسازی این اشکال در مواد دست ساز غیرممکن بود.

هنگامی که آنها از یک ماده سفت و سخت برای چاپ سه بعدی اشکال استفاده کردند، هیچ تفاوتی در جریان شاره در یک جهت یا جهت دیگر وجود نداشت. با این حال، چاپ اشکال با استفاده از مواد لاستیکی نرمتر منجر به جریان سریعتر شاره در یک جهت شد. با استفاده از این ساختارهای چاپ شده سه بعدی، تیم در حال مطالعه چگونگی تاثیر شعاع، گام مارپیچ و ضخامت ساختار داخلی بر جریان شاره است.

با مواد نرم تر، آنها همچنین می توانند جفت شدگی بین سرعت جریان و نحوه تغییر شکل لوله را مطالعه کنند. درک این پارامترها به مهندسی ساختارهای مشابه کمک می کند که می توانند برای مواردی مانند رباتیک نرم استفاده شوند.

تا همین اواخر، ربات ها با مواد سفت و سخت و لولا ساخته می شدند. اما لوین توضیح می‌دهد که استفاده از مواد نرمی که می‌توانند به روش‌های مختلف تغییر شکل دهند، دنیای کاملی از احتمالات را به وجود می‌آورند، "این یک گام به جلو در تلاش برای درک مکانیک اساسی تعامل بین غشاها و جریان است." روزی این سیستم به ظاهر ساده می تواند وسایل صنعتی یا پزشکی را کنترل کند.

منبع:

What physicists can learn from shark intestines

ترجمه خبر: شهره کرمی