襟翼執行重要的工作。從泵血到加速發動機，襟翼可幫助流體沿著一個方向流動。如果沒有它們，保持液體沿著正確的方向流動就很難做到。

華盛頓大學的研究人員發現了一種新方法，可以幫助液體僅向一個方向流動，但無需擋板。在一個紙9月24日發表在美國國家科學院院刊，他們報告說，一種具有受鯊魚腸道啟發的內部螺旋結構的柔性管道可以保持流體沿一個方向流動，而無需發動機和解剖結構所依賴的襟翼。

人類的腸道本質上是一根中空的管子。但對於鯊魚和鰩魚來說，它們的腸道具有圍繞內部通道的螺旋網絡。在 2021 年出版品另一個團隊提出，這種獨特的結構促進了液體在鯊魚和鰩魚消化道中的單向流動（也稱為流動不對稱），而無需襟翼或其他輔助裝置來防止回流。這一說法引起了華盛頓大學博士後研究員伊多·萊文（Ido Levin）的注意，他是這篇新論文的主要作者。

「沒有活動擋板的管道中的流動不對稱具有巨大的技術潛力，但其機制令人費解，」萊文說。“目前尚不清楚鯊魚腸道結構的哪些部分導致了不對稱，哪些部分僅增加了營養吸收的表面積。”

為了回答這些問題，萊文領導了一個團隊，包括合著者莎拉·凱勒和阿爾沙基姆·尼爾森，兩人都是華盛頓大學化學教授，以及華盛頓大學博士後研究員納羅亞·薩達巴。他們 3D 列印了一系列“仿生管道”，所有管道的內部螺旋結構都受到鯊魚腸道佈局的啟發。

他們改變了這些原型管道的幾何參數，例如螺旋的螺距角或匝數。他們的第一批管道是用剛性材料列印的，他們發現有些管道表現出對單向流動的強烈偏好。

「第一次測量流量不對稱性是一個『尤里卡』時刻，」萊文說。“直到那一刻，我們還不知道我們的理想化結構是否可以重現鯊魚中看到的流動效應。”

透過進一步調整幾何參數和列​​印新的設計，研究人員增加了流動的不對稱性，直到它可以與著名發明家尼古拉·特斯拉的設計相媲美，甚至超過了尼古拉·特斯拉的設計。

「你不可能每天都打敗特斯拉，」萊文說。

但鯊魚的腸道——就像人類的腸道一樣——並不堅硬。該團隊懷疑由更靈活的材料製成的所謂「可變形結構」可能會像特斯拉閥門一樣表現得更好。他們使用最柔軟的聚合物 3D 列印了第二系列原型，既可列印又可商用。

這些柔性管道設計透過其「可變形性」和內部螺旋更好地模仿了鯊魚腸道，與先前測量的所有特斯拉閥門相比，其性能至少好七倍。

「化學家們已經開始積極開發同時柔軟、堅固和可印刷的聚合物，」開發新型聚合物的專家尼爾森說。“這些聚合物在從工程到醫學等應用中控制流動的潛在用途增強了這種動力。”

「實際的腸道仍然比我們的軟材料軟約 100 倍，因此還有很大的改進空間，」薩達巴說。

凱勒將該計畫的成功歸功於團隊的生物學、化學和物理學的跨學科思想，以及鯊魚本身。

「仿生學是發現新設計的有效方法，」凱勒說。“我們自己從來沒有想到過這些結構。”