襟翼执行重要的工作。从泵血到加速发动机，襟翼可帮助流体沿一个方向流动。如果没有它们，保持液体沿着正确的方向流动就很难做到。

华盛顿大学的研究人员发现了一种新方法，可以帮助液体仅向一个方向流动，但无需挡板。在一个纸9月24日发表在美国国家科学院院刊，他们报告说，一种具有受鲨鱼肠道启发的内部螺旋结构的柔性管道可以保持流体沿一个方向流动，而无需发动机和解剖结构所依赖的襟翼。

人类的肠道本质上是一根中空的管子。但对于鲨鱼和鳐鱼来说，它们的肠道具有围绕内部通道的螺旋网络。在 2021 年发布另一个团队提出，这种独特的结构促进了液体在鲨鱼和鳐鱼消化道中的单向流动（也称为流动不对称），而无需襟翼或其他辅助装置来防止回流。这一说法引起了华盛顿大学博士后研究员伊多·莱文（Ido Levin）的注意，他是这篇新论文的主要作者。

“没有活动挡板的管道中的流动不对称具有巨大的技术潜力，但其机制令人费解，”莱文说。“目前尚不清楚鲨鱼肠道结构的哪些部分导致了不对称，哪些部分仅增加了营养吸收的表面积。”

为了回答这些问题，莱文领导了一个团队，其中包括合著者莎拉·凯勒和阿尔沙基姆·尼尔森，两人都是华盛顿大学化学教授，以及华盛顿大学博士后研究员纳罗亚·萨达巴。他们 3D 打印了一系列“仿生管道”，所有管道的内部螺旋结构均受到鲨鱼肠道布局的启发。

他们改变了这些原型管道的几何参数，例如螺旋的螺距角或匝数。他们的第一批管道是用刚性材料打印的，他们发现有些管道表现出对单向流动的强烈偏好。

“第一次测量流量不对称性是一个‘尤里卡’时刻，”莱文说。“直到那一刻，我们还不知道我们的理想化结构是否可以重现鲨鱼中看到的流动效应。”

通过进一步调整几何参数和打印新的设计，研究人员增加了流动的不对称性，直到它可以与著名发明家尼古拉·特斯拉的设计相媲美，甚至超过了尼古拉·特斯拉的设计。一个多世纪前，尼古拉·特斯拉获得了特斯拉阀的专利，这是一种单向流体流动装置，没有移动部件。

“你不可能每天都打败特斯拉，”莱文说。

但鲨鱼的肠道——就像人类的肠道一样——并不坚硬。该团队怀疑由更灵活的材料制成的所谓“可变形结构”可能会像特斯拉阀门一样表现更好。他们使用最柔软的聚合物 3D 打印了第二系列原型，该聚合物既可打印又可商用。

这些柔性管道设计通过其“可变形性”和内部螺旋更好地模仿了鲨鱼肠道，与之前测量的所有特斯拉阀门相比，其性能至少好七倍。

“化学家们已经开始积极开发同时柔软、坚固和可印刷的聚合物，”开发新型聚合物的专家尼尔森说。“这些聚合物在从工程到医学等应用中控制流动的潜在用途增强了这种动力。”

“实际的肠道仍然比我们的软材料软约 100 倍，因此还有很大的改进空间，”萨达巴说。

凯勒将该项目的成功归功于该团队的生物学、化学和物理学的跨学科思想，以及鲨鱼本身。

“仿生学是发现新设计的有效方法，”凯勒说。“我们自己从来没有想到过这些结构。”