플랩은 필수 작업을 수행합니다.심장을 펌핑하는 것부터 회전하는 엔진까지, 플랩은 유체가 한 방향으로 흐르도록 도와줍니다.그것들이 없으면 액체를 올바른 방향으로 유지하는 것이 어렵습니다.

워싱턴 대학의 연구원들은 플랩 없이 액체가 한 방향으로만 흐르도록 돕는 새로운 방법을 발견했습니다.에서종이9월 24일자에 게재됨국립과학원(National Academy of Sciences)의 간행물, 그들은 상어 내장에서 영감을 얻은 내부 나선형 구조를 갖춘 유연한 파이프가 엔진과 해부학에 의존하는 플랩 없이 유체 흐름을 한 방향으로 유지할 수 있다고 보고했습니다.

인간의 내장은 본질적으로 속이 빈 튜브입니다.그러나 상어와 가오리의 내장은 내부 통로를 둘러싸는 나선형 네트워크를 특징으로 합니다.2021년에는출판, 다른 팀은 이 독특한 구조가 백업을 방지하기 위한 플랩이나 기타 보조 장치 없이 상어와 가오리의 소화관을 통해 유체의 일방향 흐름(흐름 비대칭이라고도 함)을 촉진한다고 제안했습니다.이 주장은 새 논문의 주저자인 UW 박사후 연구원 Ido Levin의 관심을 끌었습니다.

"움직이는 플랩이 없는 파이프의 유동 비대칭성은 엄청난 기술적 잠재력을 갖고 있지만 그 메커니즘은 수수께끼였습니다."라고 Levin은 말합니다."상어의 장 구조 중 어느 부분이 비대칭에 기여했는지, 그리고 영양분 흡수를 위한 표면적을 증가시키는 역할만 했는지는 확실하지 않습니다."

이러한 질문에 답하기 위해 Levin은 공동 저자인 UW 화학 교수인 Sarah Keller와 Alshakim Nelson, UW 동료 박사후 연구원인 Naroa Sadaba로 구성된 팀을 이끌었습니다.그들은 일련의 "생체모방 파이프"를 3D 프린팅했는데, 모두 상어 내장의 레이아웃에서 영감을 받은 내부 나선형을 가지고 있습니다.

그들은 나선형의 피치 각도나 회전 수와 같은 프로토타입 파이프의 기하학적 매개변수를 다양하게 변경했습니다.그들의 첫 번째 파이프는 견고한 재료로 인쇄되었으며 일부는 단방향 흐름을 선호하는 것으로 나타났습니다.

"유동 비대칭의 첫 번째 측정은 '유레카' 순간이었습니다."라고 Levin은 말했습니다."그 순간까지 우리는 이상화된 구조가 상어에서 볼 수 있는 흐름 효과를 재현할 수 있는지 알지 못했습니다."

기하학적 매개변수를 추가로 조정하고 새로운 디자인을 인쇄함으로써 연구원들은 흐름 비대칭성을 증가시켜 유명한 발명가 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)의 디자인과 경쟁하거나 심지어 능가할 수 있었습니다.움직이는 부품.

Levin은 "매일 Tesla를 이길 수는 없습니다"라고 말했습니다.

그러나 상어의 창자는 인간의 창자와 마찬가지로 단단하지 않습니다.팀은 더 유연한 재료로 만들어진 소위 "변형 가능한 구조"가 Tesla 밸브처럼 더 나은 성능을 발휘할 수 있다고 의심했습니다.그들은 인쇄 가능하고 상업적으로 이용 가능한 가장 부드러운 폴리머로 만든 두 번째 프로토타입 시리즈를 3D 프린팅했습니다.

"변형성"과 내부 나선형을 통해 상어 내장을 더 잘 모방한 이러한 유연한 파이프 설계는 이전에 측정된 모든 Tesla 밸브에 비해 최소 7배 더 나은 성능을 발휘했습니다.

새로운 유형의 폴리머 개발 전문가인 Nelson은 "화학자들은 이미 부드럽고 강하며 인쇄가 가능한 폴리머를 개발하려는 동기를 부여받았습니다."라고 말했습니다."공학에서 의학에 이르는 응용 분야에서 흐름을 제어하기 위해 이러한 폴리머를 잠재적으로 사용할 수 있다는 것은 그러한 동기를 강화합니다."

"실제 창자는 우리의 부드러운 소재보다 여전히 약 100배 더 부드럽기 때문에 개선의 여지가 많습니다."라고 Sadaba는 말했습니다.

Keller는 이 프로젝트의 성공이 생물학, 화학, 물리학에 대한 팀의 학제간 아이디어와 상어 자체의 덕분이라고 생각합니다.

Keller는 "생체모방은 새로운 디자인을 발견하는 강력한 방법입니다."라고 말했습니다."우리는 구조 자체에 대해 결코 생각하지 않았을 것입니다."