Учёные скопировали кишечник акулы, чтобы задать направление жидкостям без клапанов

Исследователи разработали гибкую трубку с внутренней спиральной структурой, которая усиливает поток жидкости в одном направлении. Изобретение будет полезным в самых разных областях — от инженерии до медицины. Дизайн имитирует структуру акульего кишечника. На фотографии — восемь созданных на 3D-принтере трубок с внутренними спиралями.




Клапаны выполняют важную работу. От сердца, качающего кровь, до двигателей внутреннего сгорания, набирающих обороты, они помогают жидкости течь в заданном направлении. Исследователи из Вашингтонского университета открыли способ, позволяющий жидкости течь только в одном направлении, но без клапанов и каких-либо заслонок. Они создали гибкую трубку с внутренней спиральной структурой по образцу кишечника акулы.

Кишечник человека, по сути, представляет собой полую трубку. Но у акул и скатов в кишечнике есть сеть внутренних спиралей. В научной статье за 2021 год другой коллектив учёных предположил, что уникальная структура во внутренностях этих рыб способствует одностороннему течению жидкости, также известному как асимметрия потока. Причём это происходит в пищеварительном тракте акул и скатов без клапанов или других вспомогательных средств. Гипотеза привлекла внимание Идо Левина из Калифорнийского университета, который стал ведущим автором нового прикладного исследования.

Асимметрия потока в трубе без движущихся створок обладает огромным технологическим потенциалом. Но механика процесса оставалась загадкой, объяснил Левин. Было неясно, что именно в кишечнике акулы способствовало асимметрии, а не просто служило только для увеличения площади внутренней поверхности ради поглощения питательных веществ.

Чтобы ответить на эти вопросы, Левин возглавил команду специалистов. Они с соавторами Сарой Келлер и Альшакимом Нельсоном, профессорами химии Калифорнийского университета, и Нароай Садаба, постдокторанкой из Калифорнийского университета, напечатали на 3D-принтере серию «биомиметических трубок» (подражающих структурой органам животных), все с внутренними спиралями по примеру внутренней поверхности кишечника акулы.

В первых прототипах они меняли угол наклона спирали и количество витков. Напечатав первые трубки из жёстких материалов, они обнаружили, что в некоторых из них жидкость предпочитала течь в каком-то одном направлении.

Левин отмечает, что они с коллегами не знали, могут ли их искусственные структуры воспроизвести эффекты, наблюдаемые во внутренностях акул.

Путём дальнейшей отладки геометрических параметров исследователи увеличили асимметрию потока, пока она не сравнялась и даже не превзошла разработки Николы Теслы. Известный изобретатель более века назад запатентовал клапан Теслы (клапанный канал Теслы), устройство для односторонней подачи жидкости без движущихся частей. Клапан Теслы представляет собой разновидность обратного клапана и служит как своеобразный переключатель, который перестаёт пропускать воду в обратную сторону при усилении турбулентности жидкости внутри него, то есть когда поток внутри становится более бурным.

Но кишечник акулы, естественно, совсем не жёсткий в отличие от первых напечатанных экспериментальных трубок. Исследователи предположили, что так называемые «деформируемые структуры», то есть изготовленные из гибких материалов, покажут себя в качестве своеобразных клапанов Теслы даже лучше. Они напечатали на 3D-принтере вторую серию прототипов из самого мягкого полимера, который был доступен в продаже.

Гибкие трубки показали как минимум в семь раз лучшие результаты по сравнению со всеми ранее протестированными клапанами Теслы.

Соавтор изобретения Альшаким Нельсон — эксперт по разработке новых полимеров. Он сказал, что химики и ранее были заинтересованы в создании полимеров, которые одновременно были бы мягкими, прочными и пригодными в качестве чернил для 3D-принтера. Обнаруженная польза от таких материалов для управления потоками жидкости в самых разных областях, от инженерии до медицины, усиливает потребность в новых чернилах для трёхмерной печати.

Нароа Садаба добавила, что реальные кишки примерно в 100 раз мягче самого мягкого материала, который сейчас есть в распоряжении изобретателей. В общем, создание новых полимеров для аддитивных технологий, то есть печати, дало бы много новых возможностей.

В свою очередь Сара Келлер считает, что успешность их совместного проекта обусловлена междисциплинарными идеями в области биологии, химии и физики, а также самими акулами. Подражание природе, то есть биомимикрия — отличный путь для создания инноваций. Келлер добавила, что, не зная анатомии акул и скатов, сами учёные никогда бы не додумались до столь эффективных структур для асимметрии потока в трубе.