اسرار مهندسی پیچیده باله ماهی‌ها
یک مطالعه جدید اسرار مهندسی را نشان داده است که باعث می‌شود باله‌های ماهی بسیار قوی و در عین حال انعطاف پذیر باشند.
وقتی به یک تُنگ نگاه کنید، می‌بینید که ماهی قرمز ماهی دارای باله‌های چابک هستند. این شناگران آکواریومی با چند تکه از این زائده‌ها می‌توانند به صورت دایره‌ای بچرخند، در اعماق آب شیرجه بزنند یا حتی به سطح بیایند.
تحقیقات جدید به رهبری دانشگاه کلرادو بولدر، اسرار مهندسی را که باعث می‌شود باله‌های ماهی بسیار قوی و در عین حال انعطاف پذیر باشند کشف کرده است. بینش تیم می‌تواند روزی منجر به طراحی جدید ابزار‌های روباتیک جراحی یا حتی بال هواپیما شود که با فشار یک دکمه شکل خود را تغییر می‌دهند. محققان نتایج خود را در ۱۱ آگوست در مجله Science Robotics منتشر کردند.
تحقیقات جدید به رهبری دانشگاه کلرادو بولدر، اسرار مهندسی را که باعث می‌شود باله‌های ماهی بسیار قوی و در عین حال انعطاف پذیر باشند کشف کرده است. بینش تیم می‌تواند روزی منجر به طراحی جدید ابزار‌های روباتیک جراحی یا حتی بال هواپیما شود که با فشار یک دکمه شکل خود را تغییر می‌دهند. محققان نتایج خود را در ۱۱ آگوست در مجله Science Robotics منتشر کردند.
فرانسوا بارتلات، نویسنده ارشد این مطالعه، خاطرنشان کرد که این باله‌ها قابل توجه هستند، زیرا می‌توانند به مهارت‌های حرکتی برسند، حتی با وجود اینکه عضله ندارند. (ماهیان این ساختار‌ها را با چرخاندن مجموعه‌ای از ماهیچه‌ها که در قسمت پایه باله‌ها قرار دارند حرکت می‌دهند).
بارتلات، استاد گروه مهندسی مکانیک پل ام رادی می‌گوید: «اگر به باله ماهی نگاه کنید، خواهید دید که از باریکه‌هایی سفت و سخت ساخته شده است. هر یک از آن باریکه‌ها را می‌توان به صورت جداگانه درست مانند انگشتان دست خود کنترل کرد، اما در هر پره ۲۰ یا ۳۰ عدد از آن‌ها وجود دارد.»
بارتلت و همکارانش در جدیدترین تحقیقات خود از طیف وسیعی از روش‌ها، از جمله شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و مواد چاپ سه بعدی استفاده کردند تا به عمق بیومکانیک این ساختار‌های چابک بپردازند. آن‌ها گزارش می‌دهند که کلید باله‌های ماهی ممکن است در طراحی منحصر به فرد آن‌ها نهفته باشد.
هر باریکه در یک باله از بخش‌های متعددی از یک ماده سخت تشکیل شده است که روی کلاژن بسیار نرم تری قرار می‌گیرد و آن‌ها را به تعادل کامل بین تند و سفت تبدیل می‌کند. شما این قابلیت دوگانه را در جایی که باله‌ها می‌توانند تغییر شکل دهند، به دست می‌آورید، و با این حال وقتی آب را فشار می‌دهند هنوز سفت هستند.
بارتلت و همکارانش در جدیدترین تحقیقات خود از طیف وسیعی از روش‌ها، از جمله شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و مواد چاپ سه بعدی استفاده کردند تا به عمق بیومکانیک این ساختار‌های چابک بپردازند. آن‌ها گزارش می‌دهند که کلید باله‌های ماهی ممکن است در طراحی منحصر به فرد آن‌ها نهفته باشد.
هر باریکه در یک باله از بخش‌های متعددی از یک ماده سخت تشکیل شده است که روی کلاژن بسیار نرم تری قرار می‌گیرد و آن‌ها را به تعادل کامل بین تند و سفت تبدیل می‌کند. شما این قابلیت دوگانه را در جایی که باله‌ها می‌توانند تغییر شکل دهند، به دست می‌آورید، و با این حال وقتی آب را فشار می‌دهند هنوز سفت هستند.
زره و هواپیما
بارتلات قبلاً مطالعه کرده بود که چگونه فلس ماهی می‌تواند به مهندسان در طراحی زره بدن بهتر برای انسان کمک کند و چگونه صدف‌های دریایی می‌توانند الهام بخش شیشه‌های سخت‌تر باشند.
باله‌ها نیز ممکن است به همان اندازه مفید باشند. بارتلات توضیح داد که وقتی صحبت از مهندسی می‌شود، موادی که هم سفت و هم انعطاف پذیر هستند، بسیار مهم و مورد توجه خواهند بود. به عنوان مثال، طراحان هواپیما مدتهاست به توسعه بال‌هایی با قابلیت تغییر شکل در فرمان علاقه دارند و به هواپیما‌ها توانایی بیشتری برای مانور و در عین حال نگه داشتن آن‌ها در هوا می‌دهند.
بارتلات می‌گوید: «هواپیما‌ها این کار را هنگامی که پره‌های خود را باز می‌کنند، تا حدی انجام می‌دهند؛ اما شیوه‌ای سفت و سخت است. برعکس، بال ساخته شده از مواد شکل دهنده، می‌تواند شکل خود را به شکل ریشه‌ای‌تر و پیوسته تغییر دهد، درست مانند یک پرنده.»
برای درک چگونگی دستیابی ماهی‌های قرمز معمولی به کار‌های مشابه هر روز، این ساختار‌ها را زیر ذره‌بین بررسی کنید. هر یک از باریکه‌های یک باله دارای ساختار لایه‌ای است، کمی شبیه به اکلیر نانوایی: خوشه‌ها شامل دو لایه از مواد سفت و معدنی به نام همیتریش هستند که یک لایه داخلی کلاژن اسفنجی را احاطه کرده اند.
اما بارتلات اذعان می‌کند که آن لایه‌های همیتریش جامد نیستند. آن‌ها به بخش‌هایی تقسیم می‌شوند، گویی کسی اکلار را به قطعاتی کوچک اندازه کرده است؛ و تا همین اواخر، عملکرد آن بخش‌ها مشخص نبوده است.
بارتلات می‌گوید: «هواپیما‌ها این کار را هنگامی که پره‌های خود را باز می‌کنند، تا حدی انجام می‌دهند؛ اما شیوه‌ای سفت و سخت است. برعکس، بال ساخته شده از مواد شکل دهنده، می‌تواند شکل خود را به شکل ریشه‌ای‌تر و پیوسته تغییر دهد، درست مانند یک پرنده.»
برای درک چگونگی دستیابی ماهی‌های قرمز معمولی به کار‌های مشابه هر روز، این ساختار‌ها را زیر ذره‌بین بررسی کنید. هر یک از باریکه‌های یک باله دارای ساختار لایه‌ای است، کمی شبیه به اکلیر نانوایی: خوشه‌ها شامل دو لایه از مواد سفت و معدنی به نام همیتریش هستند که یک لایه داخلی کلاژن اسفنجی را احاطه کرده اند.
اما بارتلات اذعان می‌کند که آن لایه‌های همیتریش جامد نیستند. آن‌ها به بخش‌هایی تقسیم می‌شوند، گویی کسی اکلار را به قطعاتی کوچک اندازه کرده است؛ و تا همین اواخر، عملکرد آن بخش‌ها مشخص نبوده است.
شنا، پرواز و راه رفتن
بارتلات و تیمش تصمیم گرفتند از شبیه سازی‌های کامپیوتری برای بررسی خواص مکانیکی باله‌ها استفاده کنند. آن‌ها کشف کردند این بخش‌هایی هستند که می‌توانند همه تفاوت‌ها را ایجاد کنند.
بارتلات می‌گوید برای لحظه‌ای وانمود کنید که باله‌های ماهی کاملاً از کلاژن تشکیل شده‌اند. آن‌ها می‌توانند به راحتی خم شوند، اما به ماهی‌ها کشش چندانی در آب نمی‌دهند، زیرا نیرو‌های هیدرودینامیکی آن‌ها را فرو می‌ریزد. در مقابل، باریکه‌های متشکل از همیتریش‌های جامد و بدون قطعه، مشکل معکوس خواهند داشت-آن‌ها بسیار سفت خواهند بود.
«اساساً همه بخش‌ها این لولا‌های کوچک را در امتداد باریکه ایجاد می‌کنند. هنگامی که سعی می‌کنید لایه‌های استخوانی را فشرده یا بکشید، سفتی آن‌ها بسیار زیاد است. این برای مقاومت باریکه و ایجاد نیرو‌های هیدرودینامیکی که به آب فشار می‌آورد بسیار مهم است. اما اگر سعی کنید لایه‌های استخوانی فردی را خم کنید، آن‌ها بسیار سازگار است و آن قسمت برای تغییر شکل آسان اشعه از ماهیچه‌های پایه بسیار مهم است.»
محققان این نظریه را با استفاده از چاپگر سه بعدی برای تولید مدل باله ماهی ساخته شده از پلاستیک (برخی با لولا ساخته شده و برخی دیگر بدون آن) آزمایش کردند. سپس تیم دریافت که طراحی تقسیم بندی شده، ترکیبات بهتری از سفتی و تغییر شکل را ارائه می‌دهد.
بارتلات افزود که او و همکارانش فقط بخش کوچکی مربوط به باله‌ها را در دنیای ماهی‌ها مورد مطالعه قرار داده‌اند. به عنوان مثال ماهی‌های پرنده، باله‌های خود را برای سر خوردن روی آب قرار می‌دهند، در حالی که ماهی‌های لجن‌خوار از باله‌های خود مانند پا‌ها برای راه رفتن روی خشکی استفاده می‌کنند.
بارتلات می‌گوید: «ما دوست داریم جایی که زیست شناسان و جانورشناسان توقف کرده اند را انتخاب کنیم و از سابقه خود در مکانیک مواد برای درک بیشتر خواص شگفت انگیز جهان طبیعی استفاده کنیم.»
از همکاران این مطالعه جدید می‌توان به فلورن هانارد در دانشگاه کاتولیک لوون بلژیک، محمد میرخلف در دانشگاه سیدنی استرالیا و آبتین عامری در MIT اشاره کرد.
«اساساً همه بخش‌ها این لولا‌های کوچک را در امتداد باریکه ایجاد می‌کنند. هنگامی که سعی می‌کنید لایه‌های استخوانی را فشرده یا بکشید، سفتی آن‌ها بسیار زیاد است. این برای مقاومت باریکه و ایجاد نیرو‌های هیدرودینامیکی که به آب فشار می‌آورد بسیار مهم است. اما اگر سعی کنید لایه‌های استخوانی فردی را خم کنید، آن‌ها بسیار سازگار است و آن قسمت برای تغییر شکل آسان اشعه از ماهیچه‌های پایه بسیار مهم است.»
محققان این نظریه را با استفاده از چاپگر سه بعدی برای تولید مدل باله ماهی ساخته شده از پلاستیک (برخی با لولا ساخته شده و برخی دیگر بدون آن) آزمایش کردند. سپس تیم دریافت که طراحی تقسیم بندی شده، ترکیبات بهتری از سفتی و تغییر شکل را ارائه می‌دهد.
بارتلات افزود که او و همکارانش فقط بخش کوچکی مربوط به باله‌ها را در دنیای ماهی‌ها مورد مطالعه قرار داده‌اند. به عنوان مثال ماهی‌های پرنده، باله‌های خود را برای سر خوردن روی آب قرار می‌دهند، در حالی که ماهی‌های لجن‌خوار از باله‌های خود مانند پا‌ها برای راه رفتن روی خشکی استفاده می‌کنند.
بارتلات می‌گوید: «ما دوست داریم جایی که زیست شناسان و جانورشناسان توقف کرده اند را انتخاب کنیم و از سابقه خود در مکانیک مواد برای درک بیشتر خواص شگفت انگیز جهان طبیعی استفاده کنیم.»
از همکاران این مطالعه جدید می‌توان به فلورن هانارد در دانشگاه کاتولیک لوون بلژیک، محمد میرخلف در دانشگاه سیدنی استرالیا و آبتین عامری در MIT اشاره کرد.
منبع: فرادید
ارسال نظرات