フラップは重要な役割を果たします。心臓のポンプ作用からエンジンの回転まで、フラップは体液が一方向に流れるのを助けます。これらがなければ、液体を正しい方向に流し続けることは困難です。

ワシントン大学の研究者らは、フラップを使わずに液体が一方向にのみ流れるのを助ける新しい方法を発見しました。で紙9 月 24 日に掲載されました。米国科学アカデミーの議事録彼らは、サメの腸にヒントを得た内部螺旋構造を備えたフレキシブルパイプが、エンジンや解剖学的構造に依存するフラップなしで流体を一方向に流し続けることができると報告しています。

人間の腸は本質的には中空の管です。しかし、サメやエイの腸は、内部の通路を取り囲む螺旋のネットワークを特徴としています。2021年に出版物、別の研究チームは、このユニークな構造は、バックアップを防ぐためのフラップやその他の補助具なしで、サメやエイの消化管を通る流体の一方向の流れ（流れの非対称性とも呼ばれる）を促進すると提案しました。この主張は、新しい論文の筆頭著者であるカリフォルニア大学博士研究員イド・レビン氏の注目を集めた。

「可動フラップのないパイプ内の流れの非対称性には、大きな技術的可能性がありますが、そのメカニズムは不可解でした」とレビン氏は言う。「サメの腸構造のどの部分が非対称性に寄与しており、どの部分が栄養摂取の表面積を増やすだけの役割を果たしているのかは明らかではありませんでした。」

これらの質問に答えるために、レビン氏は共著者のサラ・ケラー氏とアルシャキム・ネルソン氏（どちらもカリフォルニア大学化学教授）、同じくカリフォルニア大学博士研究員のナロア・サダバ氏を含むチームを率いました。彼らは一連の「生体模倣パイプ」を 3D プリントしたが、そのすべてはサメの腸の配置にインスピレーションを得た内部螺旋を備えていた。

彼らは、これらのプロトタイプのパイプ間で、らせんのピッチ角や巻き数などの幾何学的パラメーターを変更しました。彼らの最初のパイプは硬い材料から印刷されており、一部は一方向の流れを強く好むことがわかりました。

「流れの非対称性の最初の測定は、『ユリイカ』の瞬間でした」とレビン氏は語った。「その瞬間まで、私たちの理想的な構造がサメに見られる流れの影響を再現できるかどうかは分かりませんでした。」

研究者らは、幾何学的パラメータをさらに調整し、新しい設計を印刷することによって、流れの非対称性を高め、有名な発明家ニコラ・テスラの設計に匹敵し、さらにはそれを超えました。可動部品。

「毎日テスラに勝つことはできない」とレビン氏は語った。

しかし、サメの腸は人間の腸のように硬くない。研究チームは、より柔軟な材料で作られた、いわゆる「変形可能な構造」がテスラバルブとしてさらに優れた性能を発揮するのではないかと考えた。彼らは、印刷可能かつ市販されている最も柔らかいポリマーから作られた第 2 シリーズのプロトタイプを 3D プリントしました。

これらの柔軟なパイプ設計は、その「変形性」とその内部螺旋の両方を通じてサメの腸をよりよく模倣しており、以前に測定されたすべてのテスラバルブと比較して少なくとも 7 倍優れた性能を発揮しました。

新しいタイプのポリマー開発の専門家であるネルソン氏は、「化学者はすでに、柔らかく、強度があり、印刷可能であるポリマーを開発する意欲を持っていた」と述べた。「これらのポリマーを工学から医学に至るまでの用途で流れを制御するために使用できる可能性があると、その動機が強化されます。」

「実際の腸は、当社の柔らかい素材よりもまだ約100倍柔らかいので、改善の余地はたくさんあります」とサダバ氏は言う。

ケラー氏は、プロジェクトの成功は、チームの生物学、化学、物理学にまたがる学際的なアイデアと、サメそのもののおかげだと考えている。

「バイオミミクリーは、新しいデザインを発見する強力な方法です」とケラー氏は語った。「私たち自身では構造を考えたこともなかったでしょう。」